Устройство дифференциала: устройство, виды и принцип работы

устройство и принцип работы. Главная передача

Главная передача

При движении автомобиля крутящий момент от коленвала двигателя передается коробке передач и затем, через главную передачу и дифференциал, на ведущие колеса. Главная передача позволяет увеличивать или уменьшать крутящий момент передаваемый колесам автомобиля и одновременно уменьшать и соответственно увеличивать скорость вращения колес. Передаточное число в главной передаче подбирается таким образом, что максимальный крутящий момент и частота вращения ведущих колес находятся в наиболее оптимальных значениях для конкретного автомобиля. Кроме того, главная передача очень часто является объектом тюнинга автомобиля.

 

Устройство главной передачи

По сути, главная передача - это не что иное, как шестеренчатый понижающий редуктор, в котором ведущая шестерня связана с вторичным валом КПП, а ведомая – с колесами автомобиля. По типу зубчатого соединения главные передачи различаются на следующие разновидности:

 

• цилиндрическая – в большинстве случаев применяется на автомобилях с поперечным расположением двигателя и коробки передач и передним приводом;
• коническая – применяется очень редко, так как имеет большие габариты и высокий уровень шума;
• гипоидная – наиболее востребованная разновидность главной передачи, которая применяется на большинстве автомобилей с классическим задним приводом. Гипоидная передача отличается малыми размерами и низким уровнем шума;
• червячная – практически не применяется на автомобилях по причине трудоемкости изготовления и высокой стоимости.

Также стоит отметить, что автомобили с передним и задним приводом имеют различное расположение главной передачи. В переднеприводных автомобилях с поперечным расположением КПП и силового агрегата, цилиндрическая главная передача располагается непосредственно в картере КПП.

В автомобилях с классическим задним приводом главная передача установлена в корпусе ведущего моста и соединена с коробкой передач посредством карданного вала. В функционал гипоидной передачи заднеприводного автомобиля также входит и разворот вращения на 90 градусов за счет конических шестерен. Несмотря на различные типы и расположение, предназначение главной передачи остается неизменным.

 

Дифференциал автомобиля

Дифференциал автомобиля чаще всего совмещен с главной передачей и располагается соответственно в картере коробки передач или в корпусе заднего моста. Однако дифференциал может быть установлен и между ведущими осями полноприводного автомобиля. Дифференциал представляет собой планетарный редуктор и делится на следующие разновидности:

• конический – в большинстве случаев устанавливается совместно с главной передачей между колесами одной приводной оси;
• цилиндрический – наиболее часто применяется для развязки ведущих осей полноприводных автомобилей;
• червячный – является универсальным и устанавливается как между колесами, так и между ведущими осями.

Основное предназначение дифференциала заключается в распределении крутящего момента между колесами автомобиля и изменения их частоты вращении относительно друг друга. Так, например поворот автомобиля без дифференциала был бы попросту невозможен, так как при повороте внешнее колесо обязательно должно вращаться с большей частотой, нежели внутреннее.

 

Дифференциалы существуют симметричные и несимметричные. Симметричный дифференциал передает равный крутящий момент на оба колеса и устанавливается чаще всего совместно с главной передачей. Несимметричный дифференциал позволяет передать крутящий момент в различных пропорциях и устанавливается между приводными осями автомобиля.

 

Устройство дифференциала

 

Дифференциал состоит из корпуса, шестерен сателлитов и полуосевых шестерен. Корпус обычно совмещен с ведомой шестерней главной передачи. Шестерни сателлиты играют роль планетарного редуктора и соединяют полуосевые шестерни с корпусом дифференциала. Полуосевые (солнечные) шестерни соединены с ведущими колесами посредством полуосей на шлицевых соединениях.

При всех плюсах у простейшего дифференциала существует и недостаток. Дело в том, что частота вращения может быть распределена на колеса не только в соотношении, например 50/50, 40/60 или 35/65, но и 0/100. То есть, на одно колесо автомобиля может быть передан абсолютно весь крутящий момент, в то время как второе колесо будет абсолютно статично. Такое случается в том случае если автомобиль застрял в грязи или на льду.

Однако современные дифференциалы более совершенны и практически лишены данного недостатка. Многие дифференциалы имеют жесткую автоматическую или ручную блокировку. Кроме того современные легковые полноприводные автомобили снабжаются системой курсовой устойчивости, которая основана на оптимальном распределении  крутящего момента между осями и отдельными колесами в зависимости от траектории движения.

РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

устройство, назначение, где находится и для чего нужна блокировка межосевого механизма » АвтоНоватор

Современное машиностроение подразумевает большое количество вариаций автомобильного дифференциала. Это обусловлено тем, что индустрия постоянно развивается: машины имеют не только задний и передний привод, но также и полный. Вдобавок классификация узлов автомобиля разделяется по строению самого механизма. «Начинка» транспортных средств становится сложнее, но даже начинающим автовладельцам стоит знать принцип работы дифференциала.

Назначение

В автомобильной трансмиссии одной из самых важных деталей является дифференциал. Его задача состоит в том, чтобы правильно распределять и изменять крутящий момент двух потребителей, которые имеют различную угловую скорость.

Работа дифференциала заключается в том, чтобы давать правильные сигналы колёсам от коробки передач и напрямую от двигателя. Данный автомобильный узел имеет планетарное строение, что позволяет ему выполнять свою работу, даже если количество оборотов колёс в один промежуток времени имеет различие. Такое возможно, когда авто входит в поворот или начинает буксовать.

Дифференциал позволяет ведущим колёсам автомобиля вращаться с различной угловой скоростью

При всех достоинствах у простых вариантов дифференциалов есть и важные недостатки, и самый главный из них следующий: частота вращения на колёса распределяется не только в соотношении 50/50, но может стать и 100/0, когда, например, автомобиль застревает на льду или в грязи.

Наиболее частыми местами для установки дифференциала считаются:

• Коробка передач, в случае с автомобилями, имеющими передний привод;
• Раздаточная коробка или картер переднего и заднего моста, если авто имеет полный привод;
• Задний мост, на заднеприводных ТС.

Кроме того дифференциал условно делят на несколько разновидностей:

• Червячный, который считается универсальным видом;
• Конический — его чаще ставят между колёсами;
• Цилиндрический — зачастую используется для автомобилей с полным приводом и устанавливается между осями.

Существует также разделение дифференциалов по принципу симметричности. Выделяют симметричные и несимметричные узлы. Каждый из типов используется в определённых ситуациях. Несимметричная конструкция используется в полноприводных автомобилях. Дифференциал устанавливается между осями, и даёт различные пропорции крутящего момента на каждую из них. Для симметричного дифференциала подходит установка на главные оси. Это позволяет распределить между двумя колёсами равный крутящий момент.

Работа дифференциала на заднеприводном автомобиле

По месту расположения разделяют межосевой и межколёсный узел. Межколёсный дифференциал устанавливается между двумя колёсами, которые расположены на одной оси. Межосевой дифференциальный узел монтируется строго посередине между двух параллельных осей.

Устройство и принцип работы дифференциала

Для того чтобы определиться, как работает дифференциал в заднеприводной машине необходимо понять, что задняя ведущая ось вращается при помощи карданной передачи. После этого с помощью редуктора осуществляется поворот полуоси с колесом на ней. Дифференциалу удаётся совместить вышеперечисленные задачи так, чтобы колёса могли крутиться с различной скоростью. На автомобилях с передним приводом местонахождение и принцип работы дифференциального узла отличается. В данном случае крутящий момент от коробки передач сразу попадает на узел. После чего оказывается воздействие непосредственно на валы привода. Что касается полного привода, то для того чтобы ТС могло проезжать по разным участкам дорог, требуется не один, а целых три узла: между осями и между колёсами. В остальном принцип действия не отличается от вышеупомянутых.

Элементы, которые в дифференциале считают основными, это:

• Полуосевые шестерни;
• Шестерни сателлитов;
• Корпус.

Сателлиты по своему строению похожи на планетарный редуктор. Основная функция сателлитов заключается в том, чтобы совмещать корпус и полуосевую шестерню. Шлицы соединяют корпус и шестерню с теми колёсами, которые в автомобиле используются в качестве ведущих.

Если шестерни, используемые в дифференциале, имеют разное количество зубьев и разную направленность крутящего момента, то подобные механизмы относятся к несимметричным. В случае когда у шестерёнок одинаковое количество зубьев — дифференциал симметричный.

Корпус — это «оболочка» узла, его основная часть, в которой размещается остальные части механизма.

Что такое блокировка дифференциала в автомобиле

Блокировка дифференциального узла — это крайне важная функция, которая позволяет на время остановить работу одной из шестерёнок.

Это необходимо в том случае, если одно из колёс по каким-либо причинам продолжает крутиться, а второе стоит на месте. Такая ситуация может произойти в случае, когда машина перемещается по неравномерно заледеневшей дороге.

Это интересно! Стоит применять блокировку в случае движения на небольшой скорости по труднопроходимым дорогам. Именно тогда вероятность застрять весьма высока. В других ситуациях блокировать дифференциал не следует, так как автомобиль стремится ехать по прямой и становится практически неуправляемым.

Разновидности механизма по способу блокировки

Временная остановка одного из работающих механизмов спасает не только от пробуксовки, но и от серьёзных проблем с неуправляемыми заносами. Можно заблокировать как колесо, так и половину оси. В зависимости от конфигурации автомобиля устанавливается дифференциал с ручным, самоблокировочным или электронным типом блокировки.

С ручной блокировкой

Дифференциал с ручным способом блокировки считают одним из наиболее примитивных. Отключение в ручном режиме осуществляется при помощи кнопок или рычагов, которые располагаются в салоне автомобиля. Подобный вид чаще всего используется в машинах, которые имеют полный привод, иными словами, во внедорожниках.

Планетарная система принимает форму муфты и блокирует возможность движения сателлитов. Эксперты настоятельно рекомендуют использовать ручную блокировку только после того, как будет выжата педаль сцепления.

Это важно! После блокировки дифференциала следует сбросить скорость на минимум, особенно если в этот момент автомобиль пересекает труднопроходимую местность. После того, как один из узлов заблокируется, будет гораздо сложнее поворачивать, а, значит, транспортное средство будет легче вести по прямой.

Функция ручной блокировки применяется на внедорожниках, которые обладают рамной конструкцией. Желательно использовать ручную блокировку, уже имея хороший стаж вождения, так как управлять таким автомобилем значительно сложнее.

Toyota Land Cruiser 100 является внедорожником, имеющим кнопку блокировки межосевого дифференциала

Транспортные средства, на которых имеется ручная блокировка дифференциала:

• Toyota Land Cruiser;
• Toyota Hilux;
• Шевроле Нива.

Самоблокирующийся

Данный вид узлов хорошо приспособлен к тяжёлым условиям вождения, так как значительно увеличивают проходимость авто. Основной принцип самостоятельной блокировки заключается в том, что определённые условия движения способствуют автоматической блокировке дифференциала. Если разница в полуосях становится слишком значительной, срабатывает механизм насоса, который нагнетает давление масла. После этого пластины начинают сближаться, а скорость колеса снижается. Этот метод позволяет правильно распределить нагрузку на колёса при буксовке или заносе.

Существует множество известных автомобильных самоблокирующихся дифференциалов. Например, узлы фирм Торсен и Квайф. Также примером подобного устройства является модель «speed sensitive». Механизм моментально фиксирует различную скорость вращения осей транспортного средства. Модель автомобиля, где стоит именно этот тип дифференциала — Toyota Rav4 с вискомуфтой. Если одна из осей начинает двигаться с намного большей скоростью, то муфта срабатывает и начинает тормозить движение предотвращая аварийную ситуацию! Как только скорость снижается, сила трения уменьшается и возвращает независимость частям узла.

Работа дифференциала Торсен основана на особенностях работы червячной передачи

На спецтехнике устанавливается другой вариант самоблокирующихся дифференциальных механизмов — кулачковые пары. Примером может послужить «ГАЗ-66». Подобная конструкция значительно увеличивает проходимость машины, однако вполне может создать опасные ситуации, когда дифференциал замыкается самостоятельно. Схема его действия очень проста и понятна: вместо «планетарки» в механизме применяются зубчатые пары. Они вращаются, если в скорости колёс возникают небольшие расхождения, однако если разница увеличиваются, то устройства входят в клин.

С электронным управлением

Блокировка узла в данном случае происходит после передачи датчиками информации в управление. Система управления может не только заблокировать дифференциальный узел, но и автоматически контролировать сцепление и тягу колёс. Датчики контролируют частоту оборотов всех осей, что значительно упрощает задачу управления автомобилем на разных поверхностях дорожного покрытия.

Активного действия

На сегодняшний день активные дифференциалы являются одними из наиболее эффективных в сравнении со своими аналогами. Подобный механизм был изобретён сравнительно недавно, однако уже набрал популярность. Принцип его работы в том, чтобы ускорить действие колёс и полуоси. Несмотря на то, что подобное решение полностью противоположно остальным, такой способ оказался наиболее удачным.

Активный дифференциал задней оси по команде центрального процессора увеличивает тягу на внешнем колесе автомобиля

Подобные разработки не только оптимизируют работу, но и позволяют снизить риски поломки автомобиля. Кроме того уменьшается процентное соотношение аварийных ситуаций на дорогах из-за неправильной работы дифференциала. Постоянное улучшение делает вождение любых наземных транспортных средств более простым, безопасным и удобным. Главное — это своевременно проверять состояние шестерёнок и всех остальных деталей, которые оказывают непосредственное влияние на работу дифференциального узла. От этого зачастую зависит не только безотказность личного автомобиля, но и жизнь водителя и пассажиров.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Дифференциал автомобиля - устройство, фото, типы.

Многие покупатели при выборе внедорожника наверняка сталкивались в описании той или иной модели с термином «электронная блокировка дифференциала». Но что это такое, и как работает этот самый дифференциал, знают далеко не все потенциальные владельцы автомобилей этого класса. В нашем сегодняшнем материале мы подробно расскажем, для чего машине дифференциал, каковы его разновидности и на какие автомобили он устанавливается.

На фото самоблокирующиеся дифференциалы

История создания и назначение дифференциала

На автомобилях, оснащенных двигателем внутреннего сгорания, дифференциал появился через несколько лет после их изобретения. Дело в том, что первые экземпляры машин, приводимых в действие двигателем, имели очень плохую управляемость. Оба колеса на одной оси при повороте вращались с одинаковой угловой скоростью, что приводило к пробуксовке колеса, идущего по внешнему, большему, чем внутренний, диаметру. Решение проблемы было найдено просто: конструкторы первых автомобилей с ДВС позаимствовали у паровых повозок дифференциал – механизм, изобретенный в 1828 году французским инженером Оливером Пекке-Ром. Он представлял собой устройство, состоящее из валов и шестерней, через которые крутящий момент от двигателя передается на ведущие колеса. Но после установки на автомобиль дифференциала обнаружилась еще одна проблема – пробуксовка колеса, утратившего сцепление с дорогой.

Обычно это проявлялось, когда автомобиль двигался по дороге, покрытой участками льда. Тогда колесо, попавшее на лед, начинало вращаться с большей скоростью, чем то, которое находилось на грунте или бетоне, что в итоге приводило к заносу автомобиля. Тогда конструкторы задумались об усовершенствовании дифференциала с тем, чтобы при подобных условиях оба колеса вращались с одинаковой скоростью и автомобиль не заносило. Первым, кто проводил эксперименты с созданием дифференциала с ограниченным проскальзыванием, стал Фердинанд Порше.

Фердинанд Порше

Ему понадобилось три года, чтобы разработать, протестировать и выпустить на рынок так называемый кулачковый дифференциал – первый механизм с ограниченным проскальзыванием, который устанавливался на первые модели марки Volkswagen. Впоследствии инженеры разработали различные виды дифференциалов, о которых речь пойдет ниже.

В автомобиле дифференциал выполняет три функции: 1) передает крутящий момент от двигателя к ведущим колесам, 2) задает колесам разные угловые скорости, 3) служит понижающей передачей в сочетании с главной передачей.

Устройство дифференциала

Усовершенствованный автомобильными конструкторами дифференциал устроен в виде планетарной передачи, где крутящий момент от двигателя передается через карданный вал и коническую зубчатую передачу на корпус дифференциала. Тот, в свою очередь, направляет крутящий момент на две шестерни, а уже они распределяют момент между полуосями. Сцепление между шестернями-сателлитами и полуосями имеет две степени свободы, что позволяет им вращаться с разными угловыми скоростями.

Устройство дифференциала.

Таким образом, дифференциал обеспечивает разную скорость вращения колес, расположенных на одной оси, что предотвращает и пробуксовку при повороте. После того, как был изобретен полный привод, у автомобиля появилось два, а впоследствии и три (с межосевым) дифференциала, которые распределяли крутящий момент между ведущими осями.

Уже понятно, что без дифференциала не обходится ни один автомобиль. В передне- и заднеприводных автомобилях он расположен на ведущей оси. Если у автомобиля сдвоенная ведущая ось, то здесь в конструкции трансмиссии применяют два дифференциала — по одному на каждую ось. В полноприводных машинах дифференциалов два (для моделей с подключаемым полным приводом – по одному на каждую ось) или три (для моделей с постоянным полным приводом – по одному на каждую ось, плюс межосевой дифференциал, который распределяет крутящий момент между осями). Кроме количества механизмов, устанавливаемых на автомобили с разными типами приводов, дифференциалы различают по виду блокировки.

Разновидности дифференциалов

По виду блокировки дифференциалы делятся на два – ручная и электронная блокировка. Ручная, как следует из названия, производится водителем вручную при помощи кнопки или тумблера. В этом случае шестерни-сателлиты механизма блокируются, ведущие колеса двигаются с одинаковой скоростью. Обычно ручная блокировка дифференциала предусмотрена на внедорожниках.

Ее рекомендуется включать при преодолении сложного бездорожья и отключать при выезде на обычные дороги.

Электронная или автоматическая блокировка дифференциала осуществляется при помощи электронного блока управления, который, анализируя состояние дорожного покрытия (используется информация с датчиков ABS и антипробуксовочной системы), сам блокирует шестерни-сателлиты.

Задний дифференциал с электронным управлением Range Rover Sport

По степени блокировки это устройство делится на дифференциал с полной блокировкой и дифференциал с частичной блокировкой шестерен-сателлитов.

Полная блокировка дифференциала предполагает 100%-ную остановку вращения шестерен-сателлитов, при которой сам механизм начинает выполнять функцию обычной муфты, передавая равнозначный крутящий момент на обе полуоси. Вследствие этого оба колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью. Если же одно из колес теряет сцепление с дорогой, весь крутящий момент передается на колесо с лучшим сцеплением, что позволит преодолеть бездорожье. Такое устройство дифференциала используется на внедорожниках Toyota Land Cruiser, Mercedes-Benz G-Class и других.

Полная блокировка дифференциала

Частичная блокировка дифференциала предполагает неполную остановку вращения шестерен-сателлитов, то есть с проскальзыванием. Достигается такой эффект за счет так называемых самоблокирующихся дифференциалов. В зависимости от того, каким образом срабатывает этот механизм, их делят на два вида: Speed sensitive (функционируют при разнице в угловых скоростях вращения полуосей) и Torque sensitive (функционируют при уменьшении крутящего момента на одной из полуосей). Такое устройство дифференциала используется на внедорожниках Mitsubishi Pajero, Audi с системой полного привода Quattro, BMW с системой X-Drive и так далее.

Дифференциалы, относящиеся к группе Speed sensitive, имеют разную конструкцию. Существует механизм, в котором роль дифференциала играет вискомуфта. Она представляет собой резервуар, расположенный между полуосью и ротором карданного вала, заполненный специальной вязкой жидкостью, в которую, в свою очередь, погружены диски, сочлененные с полуосью и ротором. Когда угловая скорость вращения колес разнится (одно колесо вращается быстрее другого), диски в резервуаре тоже начинают вращаться с разными скоростями, но вязкая жидкость постепенно выравнивает их скорость, и, соответственно, крутящий момент. Как только угловые скорости обоих колес сравняются, вискомуфта отключается. По своим характеристикам вискомуфта менее надежна, чем фрикционный дифференциал, поэтому ее устанавливают на машины, предназначенные для преодоления бездорожья средней степени или спортивные модификации автомобилей.

Еще один механизм дифференциала, относящийся к группе Speed sensitive – героторный дифференциал. Здесь роль блокировки, в отличие от вискомуфты, играет масляный насос и фрикционные пластины, которые монтируются между корпусом дифференциала и шестерней-сателлитом полуосей. Но принцип действия во многом схож с таковым у вискомуфты: при возникновении разницы в угловых скоростях ведущих колес насос нагнетает масло на фрикционные пластины, которые под давлением блокируют корпус дифференциала и шестерню полуоси до тех пор, пока скорости вращения колес не сравняются. Как только это происходит, насос перестает работать и блокировка отключается.

Дифференциалы, относящиеся к группе Torque sensitive, тоже имеют разную конструкцию. К примеру, есть механизм, в котором используется фрикционный дифференциал. Его особенностью является разность угловых скоростей вращения колес при движении автомобиля на прямой и в повороте. При езде по прямой дороге угловая скорость обоих колес одинаковая, а при прохождении поворота ее значение различно для каждого колеса. Это достигается за счет установки между корпусом дифференциала и шестерней-саттелитом фрикциона, который способствует улучшению передачи крутящего момента на колесо, утратившее сцепление с дорогой.

Еще один тип дифференциалов — с гипоидным (червячным или винтовым) и косозубым зацеплением. Их условно делят на три группы.

Первая – с гипоидным зацеплением, в которой у каждой полуоси есть собственные шестерни-сателлиты. Они объединятся между собой при помощи прямозубого зацепления, причем ось шестерни располагается по отношению к полуоси перпендикулярно. При возникновении разницы в угловых скоростях ведущих колес, шестерни полуосей расклиниваются, образуется трение между корпусом дифференциала и шестернями. Происходит частичная блокировка дифференциала и крутящий момент передается на ту ось, угловая скорость вращения которой меньше. Как только угловые скорости колес выровняются, происходит деактивация блокировки.

Вторая – с косозубым зацеплением, в которой у каждой полуоси также есть свои шестерни-сателлиты (они винтовые), но их оси располагаются параллельно полуосям. А объединяются эти агрегаты между собой при помощи косозубого зацепления. Сателлиты в этой механизме установлены в специальных нишах на корпусе дифференциала. Когда угловая скорость вращения колес различается, происходит расклинивание шестерен, и они, сопрягаясь с шестернями в нишах корпуса дифференциала, частично блокируют его. При этом крутящий момент направляется на ту полуось, скорость вращения которой меньше.

Третья – с косозубыми шестернями полуосей и винтовыми шестернями сателлитов, которые располагаются параллельно друг другу. Такой тип используется в конструкции межосевого дифференциала. Благодаря планетарной конструкции дифференциала, имеется возможность посредством частичной блокировки смещать крутящий момент на ту ось, угловая скорость вращения колес которой меньше. Диапазон такого смещения весьма широк – от 65/35 до 35/65. При установлении равнозначной угловой скорости вращения колес передней и задней оси дифференциал разблокируется.

Эти группы дифференциалов получили самое широкое применение в автомобилестроении: их устанавливают как на «гражданские» модели, так и на спортивные.

Дифференциал. Устройство и виды дифференциала. -

Что такое дифференциал автомобиля?

Дифференциал предназначен для передачи, изменения и распределения крутящего момента между двумя потребителями и обеспечения, при необходимости, их вращения с разными угловыми скоростями.

Дифференциал является одним из основных конструктивных элементов трансмиссии. Расположение дифференциала в трансмиссии автомобиля:

1. в заднеприводном автомобиле для привода ведущих колес – в картере заднего моста;
2. в переднеприводном автомобиле для привода ведущих колес – в коробке передач;
3. в полноприводном автомобиле для привода ведущих колес – в картере переднего и заднего мостов;
4. в полноприводном автомобиле для привода ведущих мостов – в раздаточной коробке.

Произведение силы тяги на радиус колеса даёт тот крутящий момент, который дифференциал должен передать на колёса. Когда сцепление с дорогой слабое или одно колесо вывешено, крутящий момент и сила тяги на колесе очень малы или отсутствуют, автомобиль не сможет продолжить движение. Это особенность дифференциала с коническими шестернями, получившего широкое распространение. Этот вид дифференциала называют симметричным, так как он поровну распределяет крутящий момент между колёсами. 

Это происходит потому, что сателлит работает как равноплечий рычаг и передаёт только равные усилия к шестерням полуоси, а соответственно и к ведущим колёсам. Если одно из колёс имеет малое сцепление с дорожным покрытием, то эффективный крутящий момент на нём небольшой, соответственно симметричный дифференциал подведёт такое же усилие к другому колесу. То есть, если одно колесо буксует, сила тяги на втором равна нулю, что отрицательно сказывается на проходимости. 

Для её улучшения на автомобилях применяют полную или частичную блокировку дифференциалов, степень которой оценивают коэффициентом блокировки.

Коэффициент блокировки (Кб) — соотношение крутящего момента на отстающем колесе к моменту на забегающем колесе. Его величина для симметричного дифференциала всегда равна 1, для дифференциалов повышенного трения от 1 до 5. Чем больше Кб, тем лучше проходимость автомобиля. То есть, при Кб = 3 момент на отстающем колесе будет в три раза больше, чем на буксующем. Но момент на колесе в эту секунду будет возможным от 20 до 70%, в зависимости от возможности блокирующего механизма.

Существует несколько видов дифференциалов.

Дифференциал с полной блокировкой

Принудительная блокировка дифференциала используется в основном на внедорожниках и грузовых машинах, для улучшения проходимости на бездорожье. Включается с помощью клавиши в салоне, по мере необходимости. Очень важно отключить блокировку при выезде на сухой грунт, во избежании поломки полуосей. Приводится в действие водителем принудительно. Угловые скорости колёс здесь всегда равны, что противоречит условиям движения автомобиля по кривой, приводит к износу резины и ухудшению управляемости по твёрдому покрытию.

Вискомуфта

Вискомуфта – многодисковая муфта, в которой передаваемый момент возрастает с увеличением разности скоростей ведущего и ведомого валов. Используется в упрощенных системах постоянного полного привода, а также в качестве блокирующего механизма дифференциалов.

Принцип работы вискомуфты основан на особых свойствах специальной силиконовой жидкости: при повышении температуры ее вязкость не понижается, как, например, у масла, а повышается. Вискомуфта представляет собой цилиндр, заполненный силиконовой жидкостью. Внутри его находится пакет из перфорированных дисков, соединенных через один соответственно с ведущим и ведомым валами.

В полноприводной трансмиссии при нормальных условиях движения валы вращаются примерно с одинаковой скоростью: входной – под действием крутящего момента от основного ведущего моста, а выходной вращают колеса, с которыми он соединен. При буксовании колес основного ведущего моста входной вал вращается быстрее выходного (машина практически стоит), жидкость нагревается от трения о диски, и муфта начинает передавать больший момент на выходной вал.

Существенный недостаток вискомуфты: на срабатывание муфты требуется время, а оптимальную ее характеристику трудно подобрать. Поэтому многие производители отказываются от применения вискомуфты в пользу управляемых электроникой многодисковых сцеплений.

Дифференциалы Торсен

От англ. TORQUE - крутящий момент и «SENSING» - чувствительный, то есть чувствительный к крутящему моменту. Сателлиты расположены в корпусе перпендикулярно его оси, объединены между собой попарно с помощью прямозубого зацепления, а с полуосевыми шестернями связаны червячным зацеплением. В повороте полуосевая шестерня, связанная с отстающим колесом, поворачивает входящий с ней в зацепление сателлит, он, в свою очередь, вращает второй сателлит и шестерню полуоси.

Такой жесткой кинематической связью колёсам автомобиля обеспечивается возможность вращаться с разной скоростью. Силы трения, возникающие в червячном зацеплении от разности моментов на колёсах, осуществляют блокировку дифференциала. Недостаток конструкции – сложность изготовления, сборки агрегата в целом и ремонта.

Дифференциалы Квайф

Сателлиты расположены в два ряда параллельно оси вращения корпуса. Причём они крепятся не на осях, а находятся в закрытых с обеих сторон отверстиях корпуса. Правый ряд сателлитов (их может быть от 3 до 5) входит в зацепление с правой шестерней полуоси, левый — с левой. Кроме того, сателлиты из разных рядов зацепляются между собой через один. 

Когда одно из колёс начинает отставать, связанная с ним полуосевая шестерня начинает вращаться медленнее корпуса дифференциала и поворачивать входящий с ней в зацепление сателлит. Он передаёт движение связанному с ним сателлиту, а тот в свою очередь, на полуосевую шестерню. Так обеспечиваются разные обороты колёс в повороте.

Благодаря разности крутящих моментов на колёсах в винтовом зацеплении возникают осевые и радиальные силы, прижимающие полуосевые шестерни и сателлиты торцами к корпусу или крышкам и разделителю. За счёт этого возникают силы трения, осуществляющие блокировку, что увеличивает силу тяги автомобиля, повышая его проходимость. Дифференциалы такого типа получили наибольшее распространение в тюнинге.

Все, что вы хотели узнать о дифференциалах, но боялись спросить...

по материалам журналов "4х4Club" (7-8`99) и "5 Колесо" (11`99)

Что такое дифференциал
Принудительная блокировка
Самоблокирующиеся дифференциалы
• Дисковая блокировка
• Вязкостная блокировка
• Винтовая блокировка
• Кулачковая блокировка
• Особенности управления
Межосевой дифференциал и его блокировки
• Подключаемый передний мост

---

Что такое дифференциал

Дифференциал - это устройство, распределяющее поток мощности от двигателя к другим элементам трансмиссии. В автомобиле с приводом на одну ось используется только один дифференциал, межколесный, в полноприводном их целых три - два межколесных и межосевой. 

Рассмотрим для примера классический дифференциал (в отличие от блокируемых, его называют "открытым" или "свободным"). Он устанавливается в картере главной передачи и получает крутящий момент от ее ведомой шестерни. В коробке дифференциала расположены конические шестерни-сателлиты. Они входят в зацепление с шестернями, закрепленными на полуосях, а те, в свою очередь, вращают ведущие колеса. При движении по ровной и прямой дороге угловые скорости колес одинаковы, и сателлиты не вращаются вокруг своей оси. Во время поворота или движения по неровностям, когда колеса правого и левого борта проходят разный путь, сателлиты начинают вращаться и перераспределять крутящий момент.

Главная передача заднего моста ВАЗ-2101:
1 – фланец карданного вала;
2 – сальник;
3 – маслоотражательное кольцо;
4 – передний подшипник ведущей шестерни;
5 – задний подшипник ведущей шестерни;
6 – регулировочное кольцо;
7 – опорное кольцо шестерни полуоси;
8 – шестерня полуоси;
9 – сателлит;
10 – палец сателлитов;
11 – ведомая шестерня главной передачи;
12 – коробка дифференциала;
13 – болт крепления стопора регулировочной гайки;
14 – стопор регулировочной гайки;
15 – подшипник коробки дифференциала;
16 – регулировочная гайка ведомой шестерни;
17 – болт крепления ведомой шестерни к фланцу коробки дифференциала;
18 – ведущая шестерня главной передачи;
19 – картер редуктора главной передачи;
20 – распорная втулка;
21 – шайба;
22 – гайка ведущей шестерни заднего моста.

Существует простая формула, отражающая связь между частотами вращения коробки дифференциала и полуосевых шестерен. Если через а1 и а2 обозначить частоты вращения полуосевых шестерен, а через а - частоту вращения коробки дифференциала, то: а = (а1+а2)/2. Формула показывает, что если одно из колес автомобиля неподвижно, то другое колесо вращается с удвоенной частотой. Если одно из двух ведущих колес попадает на скользкую поверхность дороги (мокрый асфальт, масляные пятна, лед), сопротивление его вращению резко падает, уменьшается и сцепление с дорогой, а значит, колесо не в состоянии иметь необходимую силу тяги. Такое колесо начнет быстрее вращаться и пробуксовывать. К другому ведущему колесу, имеющему достаточное сцепление с дорогой, будет подводиться такой же крутящий момент, как и к буксующему. Имея возможность образовать большую силу тяги, второе колесо не сможет этого сделать потому, что дифференциал передаст ему только половину крутящего момента от главной передачи. Если сопротивление движению автомобиля превысит силу тяги у небуксующего колеса, то машина не сможет двигаться. Частота вращения буксующего колеса резко возрастет, а второе колесо остановится. Возникнет буксование автомобиля. Попытка водителя повысить силу тяги на колесах за счет увеличения подачи топлива приведет только к увеличению частоты вращения одного из колес. В такой ситуации проявляется существенный недостаток обычного дифференциала, снижающего проходимость автомобиля как на скользких дорогах, так и на грунтах, оказывающих большое сопротивление качению колес (пeсок, снег, распутица). 

Принудительная блокировка

На автомобилях, предназначенных для движения по бездорожью, приходится устанавливать дифференциалы специальных конструкций. Блокировки Часто применяют дифференциалы с принудительной блокировкой. В них водитель с помощью специального привода (чаще всего пневматического) останавливает на время вращение сателлитов, и колeca автомобиля начинают вращаться с одинаковой скоростью. Следует учесть, что автомобиль с заблокированным дифференциалом на извилистой дороге расходует больше топлива и у него происходит интенсивный износ шин. Как только взаимный поворот колес на общей оси с заблокированным дифференциалом будет больше, чем это допускает упругая деформация шин, произойдет буксование колес, продолжающееся до тех пор, пока какое-либо колесо на неровности не оторвется от дороги. Это говорит о том, что водитель не должен забывать выключать блокировку дифференциала после преодоления тяжелого участка. В ряде конструкций предусмотрена его автоматическая разблокировка или ограничение возможности включения блокировки по скорости.

Самоблокирующиеся дифференциалы

Для упрощения процесса управления применяются так называемые самоблокирующиеся дифференциалы. В настоящее время, в основном, используют четыре вида блокировок: дисковая (фрикционная, повышенного трения, LSD), вязкостная (вискомуфты) и винтовая (червячная). В самых современных разработках используются электронные системы контроля проскальзывания колес, основанные на применении датчиков вращения и использовании штатных тормозов (как правило, эти системы совмещаются с антиблокировочными и противопробуксовочными).

Дисковая блокировка

Существуют две наиболее характерные конструкции дифференциалов с фрикционными муфтами. В первом применяют одну, во втором - две муфты. В первом случае фрикционная дисковая муфта 1 введена между одной из полуосей и коробкой дифференциала. Бронзовые диски установлены в шлицах гильзы 2, связанной с коробкой дифференциала, стальные диски сидят на шлицах полуоси 3. Диски прижимаются друг к другу пружинами 4. Когда оба колеса испытывают одинаковое сопротивление, весь дифференциал вращается как одно целое и трение в муфте 1 отсутствует.

Вторая конструкция представляет из себя дифференциал повышенного трения с двойными фрикционными муфтами, получивший широкое распространение на американских автомобилях. В этой конструкции крестовина заменена двумя отдельными, пересекающимися под прямым углом осями 5 сателлитов 6. Оси 5 имеют возможность перемещаться одна относительно другой как в осевом, так и в угловом направлении, для чего их концы имеют скосы соответственно А и Б, которыми они опираются на коробку 9 дифференциала. Кроме того, в дифференциал введены промежуточные чашки 7, так же как и полуосевые шестерни, надетые на шлицы полуосей. При невращающихся сателлитах усилие к полуосям передается как и в простом дифференциале. При вращении сателлитов последние будут сдвигать концевые скосы осей 5 так, что усилие на фрикционную муфту 8, передаваемое через чашку 7, будет увеличиваться для отстающей полуоси и уменьшаться для оси, вращающейся быстрее. При этом величина подтормаживающего момента не будет постоянной, как в дифференциале с одной дисковой муфтой, а будет пропорциональна моменту, передаваемому колесами. 

Для нормальной работы такого дифференциала требуется использование специального трансмиссионного масла для LSD или соответствующих присадок к обычному маслу. Кроме того, со временем возникает необходимость регулировки из-за износа дисков.

Вязкостная блокировка

Принцип ее действия такой же, как у дисковой. Гидравлическая муфта состоит из большого числа дисков с липкими рабочими поверхностями. Благодаря свойствам особой вязкой жидкости на силиконовой основе отвердевать при нагреве диски передают крутящий момент в зависимости от разности частот вращения входных и выходных валов. Нагрев происходит, когда одна полуось начинает вращаться быстрее другой. Характерной особенностью конструкции является то, что в случае длительного буксования колес блокирующая муфта с вязкой жидкостью работает вначале мягко, а затем происходит значительный рост эффективности блокировки. В затвердевшем силиконе диски получают жесткое зацепление и полуоси блокируются. Вискомуфты не требуют обслуживания и считаются весьма надежными, однако для их продолжительной работы необходимо сохранение полной герметичности устройства. 

Винтовая блокировка

Принцип ее действия таков: в обычном режиме винты (или червяки, как их называют из-за характерной формы) свободно обкатываются вокруг центральной шестерни. В случае изменения момента винты проскальзывают в крайнее положение и фиксируются в эксцентричных пазах. Когда момент выравнивается, винты возвращаются в исходное положение. Момент срабатывания винтовых блокировок определяется профилем винтов. Такие дифференциалы мало подвержены износу (срок службы сопоставим со сроком коробки или классического дифференциала), а масло используется обычное трансмиссионное.

Кулачковая блокировка

Такая блокировка срабатывает при возникновении разности в скоростях вращения колес. Рассмотрим пример реализации дифференциала от компании Tractech. В корпусе дифференциала между парами корончатых шестерен установлены поворотные кулачки. В обычных условиях они не участвуют в работе, но, как только одно их колес начинает пробуксовывать (т.е., вращаться существено быстрее другого), кулачки поворачиваются и пары шестерен входят в зацепление, обеспечивая тем самым полную блокировку. Блокировка выключается, когда буксующее колесо прекратит проскальзывание. Этот тип дифференциалов также довольно долговечен и не требует специальных масел.

Особенности управления

Управление автомобилем, оборудованным самоблокирующимся межколесным дифференциалом имеет некоторые особенности. В частности, автомобиль в повороте на скользком покрытии может обладать избыточной поворачиваемостью, при слишком интенсивном разгоне на смешанном покрытии возможен увод в сторону от предполагаемой траектории и т.д. Особенно это касается разработок, предлагаемых в качестве дополнительного оборудования третьими фирмами. Однако грамотное использование свойств таких дифференциалов позволяет уверенно перемещаться в сложных дорожных условиях, и существенно повышает проходимость вне дорог. 

 

Межосевой дифференциал и его блокировки

При отсутствии межосевого разделения мощности (межосевого дифференциала или отключающего механизма) необходимо отключить передний мост, чтобы стало возможно вращение передних и задних колес с разными угловыми скоростями. По условиям движения требуется, чтобы колеса как переднего и заднего мостов, так и колеса одного моста могли вращаться с разной частотой и проходить различные пути. Особенно характерно это для поворотов: передние колеса при повороте проходят большее расстояние, чем задние. На изменение пути колес влияют различные факторы: скольжение шин, их углы увода, давление воздуха, нагрузка на колеса, кинематика подвески. При этом очевидно, что соотношение между путями, проходимыми колесами переднего и заднего мостов, также меняется во время движения. Это обстоятельство исключает возможность применения разных передаточных чисел в главных передачах мостов для компенсации разности проходимых путей.

Колеса разных осей автомобиля, кинематически жестко связанные одно с другим, имеют при вращении одинаковые угловые скорости. На твердой поверхности дороги при движении автомобиля с приводом на все колеса (при отсутствии межосевого дифференциала) могут возникнуть условия, при которых колеса разных осей будут стараться двигаться с различными линейными скоростями, а жесткая мехаческая связь между ними станет преградой к достижению этого. При прямолинейном движении описанное явление может быть вызвано, например, разностью радиусов качения связанных между собой колес. Качение колес в этом случае должно сопровождаться относительным перемещением точек площадки контакта шины по поверхности дороги (со скольжением или буксованием). Подобное же возможно и при одинаковых радиусах качения, но при движении по дороге с неровной поверхностью или на повороте. Возникающее в этих условиях скольжение или 6yксовaние шин сопровождается увеличеным их износом, износом механизмов трансмиссии и непроизводительной затратой энергии двигателя на движение автомобиля. Для того чтобы колеса катились без вредных сопровождающих явлений в трансмиссии, кроме дифференциалов межколесных устанавливают дифференциалы межосевые.

Однако, в условиях внедорожного движения автомобиль может лишиться подвижности в тот момент, когда колеса одного из мостов потеряют сцепление с дорогой и начнут буксовать. В такой ситуации дифференциал обычного типа будет не в состоянии передать требуемую для движения величину крутящего момента задним колесам, опирающимся на твердый грунт. Для избежания этого на внедорожниках устанавливают межосевые дифференциалы с принудительной блокировкой. Примером подобного конструктивного решения может служить "Нива" ВА3-2121, оснащенная раздаточной коробкой с принудительно блокируемым межосевым дифференциалом. 

Блокировкой пользуется водитель автомобиля для преодоления труднопроходимого участка дороги. При возвращении на шоссе межосевой дифференциал необходимо разблокировать. В современных конструкциях, кроме механического, применяются и другие приводы (пневматический, гидравлический, электрический), при этом сам процесс включения сводится к простому нажатию кнопки на панели. 

Следующим шагом стало появление самоблокирующихся межосевых дифференциалов. Принципы их работы сходны с межколесными, но условия и задачи несколько другие. Так, при поворотах машины забегающим относительно корпуса дифференциала всегда будет вал, передающий момент на управляемую ось, что определяется кинематикой поворота машины с колесной формулой 4х4. Исходя из этого, при забегании приводного вала управляемого моста коэффициент блокировки желательно иметь невысоким, а при забегании (буксовании) неуправляемого моста - несколько большим. Такой дифференциал называют самоблокирующимся с несимметричными блокирующими свойствами.

В настоящее время на легковых внедорожниках широко используются межосевые дифференциалы с автоматической блокировкой с помощью гидравлической муфты с вязкой жидкостью. Они обеспечивают оптимальную силу тяги во всех условиях движения, в связи с чем отпадает необходимость в принудительной блокировке. Есть у них и другие преимущества. Этот узел предохраняет трансмиссию от перегрузки, которая может возникнуть, например, при внезапном ударе колеса.Дифференциал, автоматически блокирующийся гидравлической муфтой с вязкой жидкостью, чутко реагирует на состояние дорожной поверхности и обеспечивает более равномерную скорость автомобиля, а также уменьшает вероятность его застревания. При торможении межосевой дифференциал такого типа предотвращает блокировку колеса одного моста относительно колеса другого, приводящую к потере устойчивости. К тому же перераспределение избыточной тормозной силы с одной пары колес на другую значительно сокращает тормозной путь и сохраняет полный контроль над машиной.

Рассмотрим, как работает автоматически блокируемый межосевой дифференциал фирмы GKN с гидравлической муфтой. Изменение момента трения в ней рассчитано так, чтобы при маневрировании на поверхности с хорошими сцепными свойствами ( асфальт, бетон и т.д.) имелся малый момент трения между выходными валами. С ростом разности частот их вращения трение между звеньями муфты значительно возрастает. Блокировка с помощью муфты с вязкой жидкостью происходит точно в соответствии с распределением крутящего момента в межосевом дифференциале.

Испытания подтвердили, что распределение моментов между передними и задними колесами обеспечивает почти нейтральную поворачиваемость автомобиля. По легкости вождения и безопасности полноприводные автомобили с таким приводом превосходят даже переднеприводные легковые автомобили. Однако, при всех достоинствах такого рода блокировки, необходимо отметить, что фактическое включение блокировки после начала пробуксовки колес, характерное для вискомуфты, существенно снижает шансы на успешное преодоление серьезных внедорожных препятствий в виде слабого грунта, грязи или снега, поскольку буксующее колесо способно быстро зарываться. В результате возможностей автомобиля даже с заблокированным межосевым дифференциалом может оказаться недостаточно для самостоятельного выезда. 

Подключаемый передний мост

Очень многие производители внедорожников используют схему с подключаемым передним мостом (так называемый part time 4WD). В этом случае межосевой дифференциал, как правило, отсутствует, и в режиме полного привода между мостами устанавливается жесткая кинематическая связь. Производители рекомендуют подключать передний мост только в сложных дорожных условиях, когда колеса склонны к пробуксовке. Продолжительное движение в таком режиме по дорогам с твердой поверхностью вызывает повышенный износ шин и трансмиссии (в частности, в раздатках с цепной передачей перегружается цепь), повышенный расход топлива, а также ухудшает управляемость на высоких скоростях. Для избежания этих отрицательных последствий многие контрукции предусматривают не только отключение переднего моста, но и отсоединение передних колес от полуосей. Для этого применяются колесные хабы (муфты свободного хода), которые могут быть автоматическими и ручными, рассоединение полуосей при помощи электрического или пневматического привода и т.д.

Что такое дифференциал и для чего нужны блокировки - 4V6.ru

Дифференциал — это механическое устройство, которое передает крутящий момент с одного источника на два независимых потребителя таким образом, что угловые скорости вращения источника и обоих потребителей могут быть разными относительно друг друга. Такая передача момента возможна благодаря применению так называемого планетарного механизма. В автомобилестроении, дифференциал является одной из ключевых деталей трансмиссии. В первую очередь он служит для передачи момента от коробки передач к колёсам ведущего моста.         Почему для этого нужен дифференциал ? В любом повороте, путь колеса оси, двигающегося по короткому (внутреннему) радиусу, меньше, чем путь другого колеса той же оси, которое проходит по длинному (внешнему) радиусу. В результате этого, угловая скорость вращения внутреннего колёса должна быть меньше угловой скорости вращения внешнего колеса. В случае с не ведущим мостом, выполнить это условие достаточно просто, так как оба колеса могут не быть связанными друг с другом и вращаться независимо. Но если мост ведущий, то необходимо передавать крутящий момент одновременно на оба колеса (если передавать момент только на одно колесо, то возможность управления автомобилем по современным понятиям будет очень плохой). При жесткой же связи колёс ведущего моста и передачи момента на единую ось обоих колёс, автомобиль не мог бы нормально поворачивать, так как колеса, имея равную угловую скорость, стремились бы пройти один и тот же путь в повороте. Дифференциал позволяет решить эту проблему: он передаёт крутящий момент на раздельные оси обоих колёс (полуоси) через свой планетарный механизм с любым соотношением угловых скоростей вращения полуосей. В результате этого, автомобиль может нормально двигаться и управляться как на прямом пути, так и в повороте.        Однако, ввиду физики устройства, у планетарного механизма есть очень нехорошее свойство: он стремится передать полученный крутящий момент туда, куда легче. Например, если оба колеса моста имеют одинаковое сцепление с дорогой и усилие, необходимое для раскручивания каждого из колёс одинаковое, дифференциал будет распределять крутящий момент равномерно между колёсами. Но стоит только появится ощутимой разнице в сцеплении колёс с дорогой (например, одно колесо попало на лёд, а другое осталось на асфальте), как дифференциал тут же начнёт перераспределять момент на то колесо, усилие для раскрутки которого наименьшее (то есть на то, которое находится на льду). В результате, колесо, находящееся на асфальте перестанет получать крутящий момент и остановится, а колесо, находящееся на льду примет на себя весь момент и будет вращаться с увеличенной угловой скоростью, причем планетарный механизм будет играть роль редуктора, повышающего скорость вращения этого колеса. Естественно, это явление сильно ухудшает проходимость и управляемость автомобиля. Ведь по логике вещей, в рассмотренной ситуации момент желательно передавать на колесо, расположенное на асфальте, чтобы автомобиль мог продолжить движение.      В полноприводных автомобилях дифференциалом обычно оборудованы два моста, а зачастую дифференциал можно обнаружить еще и между мостами (межосевой дифференциал). Таким образом, мы получаем схему трансмиссии, в которой присутствуют целых три дифференциала: два мостовых и один межосевой. Последний необходим для постоянного движения с полным приводом и передачей момента на все четыре колеса. Ведь в повороте колёса рулевого моста (обычно переднего) имеют совсем другие угловые скорости, нежели чем колёса заднего моста. Межосевой дифференциал призван передавать крутящий момент от коробки передач к обоим ведущим мостам с разным соотношением угловых скоростей. Такая схема с тремя дифференциалами является одной из самых распространённых схем для постоянного полного привода (Full time 4WD).       Однако, это уже тема другого раздела. В данном разделе нас интересует дифференциал и его свойства. Возвращаясь к вышеописанному проблемному свойству планетарного механизма, интересно рассмотреть ситуацию, когда полноприводный автомобиль с межосевым дифференциалом одним из четырёх колёс попал на тот же лёд (или в скользкую яму). Что тогда произойдёт ? Дифференциал моста, колесо которого находится на льду, отдаст весь полученный крутящий момент на это колесо. Межосевой дифференциал, в свою очередь, тоже стремится передать крутящий момент туда, куда легче. Естественно, межосевому дифференциалу легче отдать момент на мост с прокручивающимся на льду колесом, нежели чем на мост, колёса которого имеют хорошее сцепление с дорогой и могут двигать автомобиль. В результате, весь крутящий момент от двигателя и коробки передач пойдёт на раскручивание единственного колеса, находящегося на льду. Остальные три колеса остановятся и не будут получать никакого крутящего момента от дифференциалов. Итог: из четырёх ведущих колёс осталось только одно, которое проскальзывает на льду — полноприводный автомобиль «застрял». Как же заставить дифференциалы передавать крутящий момент на колёса с более хорошим дорожным сцеплением ? Для этого были разработаны различные способы частичной и полной, ручной и автоматической блокировки дифференциалов, которые будут рассмотрены ниже.       Основной целью блокировки дифференциала является передача необходимого крутящего момента обоим его потребителям (полуосям или карданам). Существуют принципиально разные методы решения данной задачи.   Полная (100%-я) ручная блокировка.        При таком типе блокировки, дифференциал фактически перестаёт выполнять свои функции и превращается в простую муфту, жестко связывающую полуоси (или карданы) между собой и передающую им одинаковый крутящий момент с одинаковой угловой скоростью. Для того, чтобы полностью заблокировать классический дифференциал, достаточно либо заблокировать возможность вращения сателлитов, либо жестко соединить между собой чашку дифференциала с одной из полуосей. Такая блокировка как правило реализована при помощи пневматического, электрического или гидравлического привода, управляемого водителем из салона автомобиля. Применяется как для мостовых, так и для межосевых дифференциалов. На картинке изображена схема блокировки компании ARB для мостового дифференциала, в которой блокируются сателлиты.      Включать подобного рода блокировки можно только при полностью остановленном автомобиле. Пользоваться ими надо крайне аккуратно, так как усилия мотора вполне достаточно чтобы «сорвать» механизм блокировки или поломать полуось. Применять такие блокировки желательно только на небольших скоростях для передвижения по труднопроходимой местности, так как при их применении в мостах (особенно в рулевых), автомобиль очень сильно теряет в управляемости. Как правило, жесткими блокировками мостовых и межосевых дифференциалов оборудуются полноценные рамные внедорожники, такие как Toyota Land Cruiser, 4Runner (Hilux Surf), Mercedes G-Class и. т. п.      Limited Slip Differentials — дифференциалы с ограниченным «проскальзыванием» (одной полуоси относительно другой).       Автоматическая блокировка с использованием вискомуфты в качестве «Slip Limiter».         В этом случае применяется блокировка одной из полуосей с чашкой дифференциала. Вискомуфта монтируется соосно полуоси таким образом, что один её привод жестко крепится к чашке дифференциала, а другой — к полуоси. При нормальном движении угловые скорости вращения чашки и полуоси одинаковые, либо незначительно отличаются (в повороте). Соответственно, рабочие плоскости вискомуфты имеют такое же небольшое расхождение в угловых скоростях и муфта остаётся разомкнутой. Как только одна из осей начинает получать ощутимо больший момент и более высокую угловую скорость вращения относительно другой, в вискомуфте появляется трение и она начинает блокироваться. Причем, чем больше разница в скоростях, тем сильнее трение внутри вискомуфты и степень её блокировки. По мере увеличения степени блокировки вискомуфты и выравнивания угловых скоростей чашки и полуоси, трение внутри вискомуфты начинает падать, что ведёт к плавному размыканию вискомуфты и отключению блокировки. Данная схема применяется для межосевых дифференциалов, так как её конструкция слишком массивна для установки на мостовой редуктор. (Схема на картинке) Подобный механизм блокировки хорошо подходит для эксплуатации в условиях плохого дорожного покрытия, однако, в условиях настоящего бездорожья его способности далеко не выдающиеся: вискомуфта не справляется с постоянными сменами состояний сцепления мостов с грунтом, запаздывает при включении, перегревается и выходит из строя. Данный тип блокировки межосевого дифференциала можно встретить на «паркетных» внедорожниках: Toyota Rav4, Lexus RX300 и. т. п.        Кулачковые и зубчатые автоматические блокировки.       Принцип работы этих блокировок достаточно прост. Вместо классического шестеренчатого планетарного механизма используются кулачковые или зубчатые пары, которые при небольшой разнице в угловых скоростях полуосей имеют возможность взаимно проворачиваться (перескакивать), а при пробуксовке заклиниваются и блокируют полуоси друг с другом. Нетрудно себе представить, что происходит с автомобилем при срабатывании такой блокировки в повороте.     Некоторые экземпляры просто отключают одну из полуосей в момент возникновения небольшой разницы скоростей. Именно поэтому, штатно такими блокировками оборудуются только дифференциалы военной и специальной техники (БТР и. т. п.)     На картинках изображены (слева направо): кулачковая блокировка отечественного производства (БТР 60), Detroit Locker и Detroit E-Z Locker (компания Tractech).       Самоблокирующиеся дифференциалы.      Устройство таких дифференциалов довольно простое и принципиально ни чем не отличается от устройства обычного открытого дифференциала. Между полуосями и чашкой дифференциала добавлены комплекты блоков фрикционных пластин (которые помечены на картинке справа красными точками). Именно поэтому, подобные дифференциалы часто именуют «friction based LSD». Когда дифференциал пытается перераспределить крутящий момент на одну из полуосей и начинает возникать разница в угловых скоростях полуосей и чашки, пластины под действием силы трения сдерживают возникновение этой разницы. Разумеется, когда величина крутящего момента превосходит силу трения пластин, всё вращение передаётся на более легко вращаемую полуось. Такие блокировки работают в сравнительно небольшом диапазоне отношения моментов.         Довольно часто фрикционные блоки подпружинивают. Такие дифференциалы штатно устанавливаются в задний мост многих внедорожников — Toyota 4Runner (Hilux Surf), Nissan Terrano, Kia Sportage и. т. п. Американская компания ASHA Corp. пошла дальше, снабдив пакет фрикционов LSD дифференциала устройством блокировки, состоящего из насоса с поршнем (Героторный дифференциал). При возникновении разности в угловых скоростях полуоси и чашки насос нагнетает масло (жидкость) на поршень и сдавливает фрикционный блок, тем самым блокируя дифференциал. Данная конструкция получила название Gerodisk (Hydra-Lock) и штатно устанавливается на внедорожники Chrysler (на картинке слева). Практически для всех friction based дифференциалов необходимо применять специальное масло, которое содержит присадки, обеспечивающие нормальную работу фрикционных блоков. Torque sensitive differentials.      Это одна из самых интересных, эффективных, технологичных и практически применяемых форм блокировки дифференциалов. Принцип работы основан на свойстве гипоидной пары «расклиниваться». В связи с этим, основные (или все) зацепления в таких дифференциалах гипоидные (червячные, или в простонародье — винтовые). Разновидностей конструкций не так уж и много — можно выделить три основных типа.      Первый тип производит компания Zexel Torsen. (T-1) Гипоидными парами являются шестерни ведущих полуосей и сателлиты. При этом каждая полуось имеет собственные сателлиты, которые парно связанны с сателлитами противоположной полуоси обычным прямозубым зацеплением. Следует отметить, что ось сателлита перпендикулярна полуоси. При нормальном движении и равенстве передаваемых на полуоси моментов, гипоидные пары «сателлит / ведущая шестерня» либо остановлены, либо проворачиваются, обеспечивая разницу угловых скоростей полуосей в повороте.      Как только дифференциал пытается отдать момент на одну из полуосей, то гипоидную пару этой полуоси начинает расклинивать и блокировать с чашкой дифференциала, что приводит к частичной блокировке дифференциала. Данная конструкция работает в самом большом диапазоне отношений крутящего момента — от 2.5/1 до 5.0/1, то есть является самой мощной в серии. Диапазон срабатывания регулируется углом наклона зубцов червяка.      Автором второго типа является англичанин Rod Quaife. В данном случае, оси сателлитов параллельны полуосям. Сателлиты расположены в своеобразных карманах чашки дифференциала. При этом парные сателлиты имеют не прямозубое зацепление, а образуют между собой еще одну гипоидную пару, которая расклиниваясь, так же участвует в процессе блокировки (на второй картинке). Подобное устройство имеет и дифференциал True Trac компании Tractech. Даже у нас в России появилось производство аналогичных дифференциалов под отечественные автомобили УАЗ и. т. д.      А вот компания Zexel Torsen в своём дифференциале T-2 предложила немного другую компоновку по сути, того же устройства (на картинке справа). Благодаря своей необычной конструкции, парные сателлиты соединены между собой со внешней стороны солнечных шестерней. По сравнению с первым типом, эти дифференциалы имеют меньший диапазон работы блокировки, однако они более чувствительны к разнице передаваемого момента и срабатывают раньше (начиная от 1.4/1). Компания Tractech недавно выпустила мостовой torque sensitive дифференциал Electrac, снабженный принудительной электроприводной блокировкой.      Третий тип производится компанией Zexel Torsen (Т-3) и используется в основном для межосевых дифференциалов. Планетарная структура конструкции позволяет сместить номинальное распределение момента в пользу одной из осей. Например, используемый на 4Раннере 4-го поколения дифференциал Т-3 имеет номинальное распределение момента 40/60 в пользу задней оси. Соответственно, смещен и весь диапазон работы частичной блокировки: от (front/rear) 53/47 до 29/71. В целом, смещение номинального распределения момента между осями возможно в диапазоне от 65/35 до 35/65. Срабатывание частичной блокировки происходит при 20-30% разнице в передаваемых на оси моментах. Так же, подобная структура дифференциала делает его компактным, что в свою очередь, упрощает конструкцию и улучшает компоновку раздаточной коробки. Вышеописанные torque sensitive дифференциалы очень популярны в автоспорте. Более того, многие производители устанавливают такие дифференциалы на свои модели штатно, как в качестве межосевых, так и межколёсных дифференциалов. Например, Тойота устанавливает такие дифференциалы как на легковые автомобили (Supra, Celica, Rav4, Lexus IS300, RX300 и. т. д), так и на внедорожники (4Runner / Hilux Surf, Land-Cruiser, Mega-Cruiser, Lexus GX470) и автобусы (Coaster Mini-Bus). Данные дифференциалы не требуют применения специальных присадок к маслу (в отличии от friction-based дифференциалов), однако лучше использовать качественное масло для нагруженных гипоидных передач.       Управление работой дифференциалов при помощи электронных систем контроля тормозных усилий (Traction Control и т. п.)      В современном автомобилестроении применяется всё больше и больше электронных систем контроля за движением автомобиля. Уже редко можно встретить автомобили, не оснащенные системой ABS (не дающей колёсам заблокироваться при торможении). Более того, уже с конца 80-х годов прошлого века передовые производители стали комплектовать свои флагманские модели системами контроля тяги и сцепления колёс — Traction Control. Например, Тойота установила систему Traction Control на Lexus LS400 в 1989 (90) году. Принцип работы такой системы прост: универсальные (так же обслуживают ABS) датчики вращения, установленные на контролируемых колёсах, фиксируют начало пробуксовки одного колеса оси относительно другого и система автоматически притормаживает забуксовавшее колесо, тем самым увеличивая на него нагрузку и вынуждая дифференциал отдать момент на колесо с хорошим сцеплением. При сильной пробуксовке, система так же может ограничивать подачу топлива в цилиндры. Работа такой системы очень эффективна, особенно на заднеприводных автомобилях. Как правило, при желании такую систему можно принудительно деактивировать кнопкой на приборной панели. Со временем, электронная система контроля тормозных усилий совершенствовалась и к ней добавлялись всё новые функции, работающие наряду с ABS и TRAC. (например управление разностью разблокировки рулевых колёс для более успешного прохождения поворотов). У всех производителей эти функции назывались по разному, однако смысл при этом оставался одинаковым. И вот, данные системы стали устанавливаться на полноприводные автомобили и внедорожники, причем в некоторых случаях они являются единственным средством контроля тяги и перераспределения крутящего момента между осями и колёсами (Mercedes ML, BMW X5). В случае, если внедорожник оснащен более серьёзными средствами распределения крутящего момента (жесткими блокировками и/или самоблокирующимися дифференциалами), то электронная система контроля тормозных усилий очень удачно дополняет эти средства. Хороший пример тому — великолепная управляемость и проходимость последнего поколения Тойотовских внедорожников 4Runner (Hilux Surf), Prado, Lexus GX470. Являясь представителями одной платформы, они обладают межосевым дифференциалом Torsen T-3 с возможностью жесткой блокировки, а так же электронной системой контроля тормозных усилий и тяги со множеством функций, помогающих водителю управлять автомобилем. Автор неизвестен. Просмотров: 98342 Дата: Среда, 24 Марта 2010

Дифференциал КПП: назначение, устройство, принцип работы

Дифференциал — механизм в устройстве трансмиссии, который необходим для передачи, преобразования и распределения крутящего момента. В случае с автомобилем, дифференциал отвечает за распределение момента между ведущими колесами, а также позволяет колесам вращаться с разной угловой скоростью при определенных условиях.

Содержание статьи

Где находится дифференциал в устройстве трансмиссии автомобиля, виды дифференциалов

Как известно, автомобили бывают переднеприводными, заднеприводными, а также полноприводными. Что касается места расположения дифференциала:

• если привод реализован на передние колеса, дифференциал находится в самой коробке передач;
• на заднеприводном авто дифференциал устанавливается в картере заднего моста;
• в автомобилях с полным приводом для привода ведущих колес дифференциал стоит в картере переднего и заднего моста, а для привода ведущих мостов механизм устанавливается в раздаточной коробке (раздатке).

Также дифференциалы бывают межколсесными и межосевыми. Если дифференциал использован для привода ведущих колес, это межколесный дифференциал. Межосевой дифференциал располагается между ведущими мостами применительно к автомобилям с полным приводом.

Что касается устройства и особенностей конструкции, в основу дифференциала положен планетарный редуктор. С учетом типа зубчатой передач, которая применена в редукторе, дифференциал (редуктор) может быть: коническим, цилиндрическим, червячным. Теперь давайте рассмотрим устройство и принцип работы дифференциала более подробно.

Устройство дифференциала и принцип работы

Начнем с первого типа. Конический дифференциал зачастую выполнят функцию межколесного дифференциала. Цилиндрический дифференциал обычно встречается на полном приводе и ставится между осями. Червячный дифференциал универсален, что позволяет ставить механизм как между колесами, так и использовать в качестве межосевого.

При этом наиболее распространенным является конический дифференциал, а базовые элементы его конструкции активно используются и в устройстве других типов дифференциалов. По этой причине рассмотрим устройство и принцип работы конического дифференциала в качестве примера.

• Итак, конический дифференциал, как уже было сказано выше, фактически является планетарным редуктором. В конструкцию включены полуосевые шестерни и сателлиты, которые находятся в корпусе (чашке дифференциала).

На корпус от главной передачи передается крутящий момент, затем через сателлиты происходит его передача на полуосевые шестерни. Также на корпусе крепится ведомая шестерня главной передачи (крепление жесткое). В корпусе установлены оси, на осях вращаются сателлиты.

Сами сателлиты, которые реализуют функцию планетарной шестерни, позволяют соединить корпус и полуосевые шестерни. С учетом того, какую величину крутящего момента нужно передать, в конструкцию дифференциала могут интегрировать 2 или 4 четыре сателлита.

Солнечные (полуосевые шестерни) осуществляют передачу крутящего момента на ведущие колеса автомобиля. Передача происходит через полуоси, соединение полуосевых шестерен и полуосей выполнено через шлицы.

Полуосевые шестерни бывают левыми и правыми, с одинаковым или разным количеством зубьев. Если число зубьев одинаковое, тогда это симметричный дифференциал, разное количество зубьев на левой и правой шестерне используется в устройстве несимметричных дифференциалов.

В первом случае симметричный дифференциал позволяет распределять крутящий момент по осям в равной степени, причем независимо от величины угловых скоростей ведущих колес.

Такой дифференциал используют для установки между колесами (симметричный межколесный дифференциал). Несимметричный дифференциал способен разделять крутящий момент в том или ином соотношении. Данная особенность позволяет использовать его между ведущими осями.

Теперь перейдем к принципам работы дифференциала. Прежде всего, симметричный дифференциал работает в трех основных режимах. Первый режим – движение по прямой, второй — движение в повороте, третий — езда по дорогое с плохим сцеплением (грязь, лед и т.д.).

Когда автомобиль движется прямо, колеса испытывают равнозначное  сопротивление. Происходит передача крутящего момента от главной передачи на корпус дифференциала. Вместе с корпусом перемещаются сателлиты, которые, в свою очередь, осуществляют передачу момента на ведущие колеса.

С учетом того, что вращения сателлитов на осях не происходит, движение полуосевых шестерен осуществляется с равной угловой скоростью, частота вращения левой и правой шестерни равна частоте вращения ведомой шестерни главной передачи.

Однако если машина заходит в поворот, колесо, которое находится ближе к центру (внутреннее ведущее) нагружается сильнее и начинает испытывать большее сопротивление сравнительно с наружным колесом (дальним от центра поворота).

В результате роста нагрузки внутренняя полуосевая шестерня несколько замедляет вращение, а это приводит к тому, что сателлиты начинают вращаться вокруг своей оси. Такое вращение сателлитов приводит к увеличению частоты вращения наружной полуосевой шестерни.

• На практике возможность движения ведущих колес с разными угловыми скоростями делает возможным прохода поворота без пробуксовок. Кстати, крутящий момент все равно распределяется на ведущие колеса равнозначно.

Если же автомобиль забуксовал в грязи, в снегу или на льду, одно колесо испытывает большее сопротивление, чем другое. В этом случае дифференциал (благодаря своей конструкции) инициирует ускоренное вращение буксующего колеса, тогда как другое колесо замедляется.

Однако недостаточная сцепка с покрытием не позволяет получить большой крутящий момент на буксующем колесе, а особенность работы симметричного дифференциала не позволит также развить нужный момент на другом колесе. Часто в этом случае машина попросту не может продолжить  дальнейшее движение.

Выходом из ситуации становится необходимость увеличения крутящего момента на колесе, которое не буксует. Для этого дифференциал необходимо заблокировать. По этой причине внедорожники имеют дополнительную возможность блокировки дифференциала, тогда как легковые авто и даже некоторые современные бюджетные «паркетники» лишены такой функции. 

Читайте также

Дифференциал (механическое устройство) - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Дифференциал - это механическое устройство, состоящее из нескольких шестерен. Применяется практически во всех механизированных четырехколесных автомобилях. Он используется для передачи мощности от карданного вала на ведущие колеса. Его основная функция состоит в том, чтобы позволить ведущим колесам вращаться с разной скоростью, позволяя колесам проходить повороты, получая при этом мощность от двигателя. ^[1]

• Наиболее распространенным типом является открытый дифференциал (OD).К тому же это самый дешевый вариант. Открытый дифференциал позволяет автомобилю проходить повороты, не таща за собой внешнее колесо. Однако мощность передается на колесо с наименьшим тяговым усилием (сцепление с дорогой). Если это колесо находится на льду или другой скользкой поверхности, транспортное средство не будет двигаться вперед, а колесо с приводом будет просто вращаться. В автомобилях с приводом на два колеса, если они имеют открытый дифференциал, они имеют только одно ведущее колесо. В полноприводных автомобилях с открытыми дифференциалами (обычно заводскими) только одно колесо на каждой оси приводит в движение автомобиль.Преимущества включают в себя редкую поломку оси, меньший износ шин и бесплатность, так как большинство новых автомобилей поставляются с открытыми дифференциалами. ^[2]
• Дифференциал повышенного трения (LSD) решает эту проблему. Используя серию сцеплений (называемых пакетом сцепления), LSD позволяет ограничить пробуксовку колес, сохраняя мощность на обоих ведущих колесах. ^[3] LSD популярны в гоночных автомобилях, так как часто бывают ситуации, когда они выходят из поворота и им нужно разогнаться, не теряя мощности на одном ведущем колесе. ^[3]
• Блокировка дифференциала (шкафчик) может блокировать два ведущих колеса на оси вместе. Преимущество в том, что оба колеса всегда имеют мощность. Недостатком является то, что поворот намного сложнее, поскольку оба колеса должны вращаться с одинаковой частотой вращения. Поэтому при резких поворотах большинство рундуков необходимо отключать. Шкафчики также могут поставить водителя в опасную ситуацию. Например, при движении по склону (перекрестку), если одно ведущее колесо теряет сцепление с дорогой, теряется сцепление с дорогой, и автомобиль может скользить вбок по склону.Водителей часто предупреждают не пересекать склон, если поверхность рыхлая или скользкая. ^[4] Шкафчики могут включаться и выключаться механически, электронным способом (электронный шкафчик) или сжатым воздухом (воздушный шкафчик). Шкафчики желательны на внедорожниках, но обычно бесполезны на улицах и шоссе.
• Золотник - открытый дифференциал, оси которого механически скреплены между собой. ^[2] Это не позволяет колесам двигаться быстрее или медленнее на поворотах.Это дешево и почти не добавляет веса автомобилю, но обычно ограничивается соревнованиями по бездорожью и трейлраннингом. ^[2] Они не подходят для движения по улице, так как они будут «чирикать» при движении по поворотам. ^[2]

Torsen - тот же торцевой эффект, что и ограниченное скольжение, но не использует сцепления или колеблется, чтобы это сделать.

типов дифференциалов и принцип их работы

Как и большинство вещей в современных автомобилях, простая зубчатая передача, известная как дифференциал, подвергалась постоянным усовершенствованиям и экспериментам, что привело к появлению целого ряда типов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Концепция дифференциала, то есть позволяющая колесам, установленным на одной оси, вращаться независимо друг от друга, является древней конструкцией, и первый известный пример ее использования был зарегистрирован в Китае в 1^-м -м тысячелетии до нашей эры.

Хотя это было задолго до изобретения автомобиля, повозки, повозки и колесницы все еще страдали от той же проблемы, связанной с буксованием или волочением одного колеса на поворотах, повышением износа и повреждением дорог.

Появление двигателей, приводящих в движение передние или задние колеса для приведения в движение транспортного средства, вместо того, чтобы просто тянуть их на лошади, добавило новую проблему, которую нужно было преодолеть - как обеспечить независимое вращение, сохраняя при этом возможность приводить в движение оба колеса.

Первые автомобили не пытались, они просто приводили в движение только одно колесо на независимой оси. Но это было далеко от идеала, так как это означало, что они были недостаточно мощными и часто сталкивались с проблемами сцепления на любом другом участке, кроме твердой, ровной поверхности.

В конечном итоге это привело к разработке открытого дифференциала до того, как были разработаны другие более сложные типы для преодоления более сложных условий вождения.

Посмотрите это видео, в котором с помощью трехмерных изображений объясняется, как работают следующие типы дифференциала:

Открытый дифференциал:

Дифференциал в своей основной форме состоит из двух половин оси с шестерней на каждом конце, соединенных вместе третьей шестерней, составляющих три стороны квадрата.Обычно это дополняется четвертой передачей для дополнительной силы, завершая квадрат.

Этот базовый блок затем дополняется кольцевой шестерней, добавляемой к корпусу дифференциала, который удерживает основные основные шестерни - и эта кольцевая шестерня позволяет приводить колеса в движение, соединяясь с приводным валом через шестерню.

^{В этом примере вы можете увидеть три стороны внутреннего зубчатого колеса, которые составляют основной механизм, причем большая синяя шестерня представляет коронную шестерню, которая будет соединяться с приводным валом.На левом изображении показан дифференциал, когда оба колеса вращаются с одинаковой скоростью, а на правом изображении показано, как зацепляются внутренние шестерни, когда одно колесо вращается медленнее, чем другое.}

Эта зубчатая передача составляет дифференциал открытого типа и является наиболее распространенным типом автомобильного дифференциала, от которого происходят более сложные системы.

Преимущество этого типа в основном ограничивается основной функцией любого дифференциала, как описано выше, с упором в первую очередь на обеспечение возможности поворота оси более эффективно, позволяя колесу за пределами поворота двигаться с большей скоростью, чем внутреннее колесо. поскольку он покрывает больше земли.Он также выигрывает от того, что его базовая конструкция относительно дешева в производстве.

Недостатком этого типа является то, что, поскольку крутящий момент распределяется равномерно между обоими колесами, количество мощности, которое может передаваться через колеса, ограничивается колесом с наименьшим сцеплением.

По достижении предела тяги обоих колес вместе, колесо с наименьшим тяговым усилием начнет вращаться, что еще больше снижает этот предел, поскольку сопротивление со стороны уже вращающегося колеса еще меньше.

Прочтите наш блог о турбонагнетателях, нагнетателях и безнаддувных двигателях

Заблокированный дифференциал:

Блокировка или блокировка дифференциала - вариант, встречающийся на некоторых транспортных средствах, в первую очередь на тех, которые едут по бездорожью. По сути, это открытый дифференциал с возможностью блокировки на месте для создания фиксированной оси вместо независимой. Это может происходить вручную или с помощью электроники в зависимости от технологии в автомобиле.

Преимущество заблокированного дифференциала в том, что он может получить значительно большее тяговое усилие, чем открытый дифференциал.Поскольку крутящий момент не разделен поровну 50/50, он может передавать больший крутящий момент на колесо, которое имеет лучшее сцепление с дорогой, и не ограничивается более низким сцеплением другого колеса в любой данный момент.

Поскольку маловероятно, что вы будете двигаться со скоростью и обычно путешествуете по неровной поверхности, проблема торможения и износа шин на поворотах на неподвижной оси является меньшей проблемой.

Одним из недостатков заблокированных дифференциалов называется заедание, которое возникает, когда в трансмиссии накапливается избыточная энергия вращения (крутящий момент), и ее необходимо ослабить - обычно это достигается за счет отрыва колес от земли для сброса положения.Или просто сняв замки, когда они больше не нужны.

Представьте себе длинную картонную трубку, удерживаемую на каждом конце, а затем скручивающую трубку в противоположных направлениях до такой степени, что трубка не могла больше выдерживать силу, складывалась и рвалась - это связывание. Это происходит из-за того, что колеса движутся с разной скоростью, что приводит к скручиванию осей и увеличению давления на шестерни, но нагрузки на колеса и их повышенного тягового усилия достаточно, чтобы предотвратить проскальзывание шин и сбросить давление.

Сварной / золотниковый дифференциал:

Сварные дифференциалы, по сути, такие же, как заблокированный дифференциал, только он был постоянно приварен из открытого дифференциала к фиксированной оси (также известный как дифференциал золотника). Обычно это делается только в определенных обстоятельствах, когда характеристики заблокированного дифференциала / Фиксированная ось, которая облегчает одновременное вращение обоих колес, желательны - например, в автомобилях, предназначенных для дрифта.

Обычно это не рекомендуется, так как тепло от сварки может снизить прочность компонентов и увеличить риск катастрофического отказа детали - что может даже привести к тому, что сломанные шестерни дифференциала взорвутся через корпус дифференциала и представляют опасность для других участников дорожного движения и пешеходов.

Дифференциал повышенного трения:

LSD объединяет преимущества открытого и заблокированного дифференциалов в более сложной системе. Есть две категории, которые используют разные формы сопротивления для достижения одного и того же эффекта:

Механическое сцепление LSD:

Этот тип LSD окружает ту же самую центральную шестерню, видимую на открытом дифференциале, парой нажимных колец, которые оказывают усилие на два набора дисков сцепления, расположенных рядом с шестернями. Это обеспечивает сопротивление независимому вращению колес, изменяя действие дифференциала с открытого на заблокированный - и обеспечивая ему повышенное тяговое усилие, которое этот тип выигрывает от более открытого дифференциала.

На этом разрезе вы можете видеть нажимные кольца (также срезанные), окружающие центральные шестерни, которые при вращении раздвигаются центральными штифтами шестерни, прижимающимися к наклонным поверхностям. Это движение толкает нажимные кольца на блоки сцепления (желтый и синий) с обеих сторон, создавая сопротивление и изменяя поведение оси с открытого на фиксированный.

LSD механического сцепления также подразделяются на подтипы, которые ведут себя немного по-разному и изменяются при воздействии давления на диски сцепления и нажимные кольца:

• В LSD с односторонним движением давление возникает только при ускорении.Это означает, что при прохождении поворотов и выключении мощности дифференциал ведет себя как открытый тип, позволяя им поворачиваться независимо, но при ускорении принудительное вращение дифференциала создает трение в дисках сцепления, блокируя их на месте, чтобы получить больше тяги.
• Двухсторонний LSD делает шаг вперед и оказывает давление на диски сцепления также при замедлении, чтобы улучшить устойчивость при торможении на дорожном покрытии с изменчивой поверхностью.
• Полуторный путь снова пытается объединить лучшее из обоих подтипов, оказывая большее давление при ускорении и меньшее - при замедлении.

Обратной стороной механических LSD является то, что они требуют регулярного технического обслуживания для поддержания работоспособности и склонны к полному износу, что приводит к дорогостоящей замене деталей.

Вязкий LSD:

Второй тип дифференциала повышенного трения, в котором вместо муфт используется густая жидкость для создания сопротивления, необходимого для изменения поведения дифференциала между разомкнутым и заблокированным состояниями. Из-за того, что у них меньше движущихся частей, чем у механических LSD, VLSD проще, но также имеют более широкий спектр преимуществ и недостатков по сравнению с ними.

В своей основной работе эффект более плавный в применении, чем механические LSD, поскольку сопротивление растет в унисон со скоростью, с которой движутся колеса по сравнению с корпусом дифференциала, обеспечивая очень постепенное увеличение.

VLSD

также могут более эффективно направлять крутящий момент на колесо, которое имеет большее сцепление с дорогой. Поскольку жидкость действует так, чтобы сопротивляться пониженной скорости, если колесо когда-либо теряет сцепление с дорогой и вращается, разница в скорости между двумя колесами внутри дифференциала создает большее сопротивление медленнее движущемуся колесу, передавая больший крутящий момент от ведущего вала на него.

VLSD становятся менее эффективными при длительном использовании, поскольку жидкость нагревается, они становятся менее вязкими и обеспечивают меньшее сопротивление. Он также не может блокироваться так же полно, как механический LSD, из-за того, что жидкость не может обеспечить абсолютное сопротивление в достаточном пространстве.

Недостатком как механических, так и вязких LSD является то, что система не всегда эффективно направляет крутящий момент во время прохождения поворотов на высокой скорости, поскольку она может интерпретировать более быстро движущееся внешнее колесо как потерю сцепления.Затем он передает крутящий момент на внутреннее колесо, создавая избыточную / недостаточную поворачиваемость в момент, противоположный тому, когда это необходимо.

Torsen Дифференциал:

Дифференциал Torsen (определение крутящего момента) использует хитроумную передачу, обеспечивающую тот же эффект, что и дифференциал с ограниченным скольжением, без необходимости использования муфт или гидравлического сопротивления.

Это достигается за счет добавления слоя червячной передачи к традиционной передаче открытого дифференциала. Эти наборы червячных шестерен, действующих на каждую ось, обеспечивают сопротивление, необходимое для передачи крутящего момента, чего затем достигается за счет того, что червячные передачи находятся в постоянном зацеплении друг с другом через соединенные прямозубые цилиндрические шестерни.

_{На первом и втором изображениях показаны три пары червячных шестерен, находящихся в зацеплении с каждой половиной оси - с цилиндрическими шестернями на конце каждого червяка, соединяющими пары. Именно это соединение передает крутящий момент от одного колеса к другому, когда одна ось начинает вращаться быстрее, чем другая. В то время как первое и второе изображения имеют оригинальный дизайн торсена, третье изображение представляет собой вторую версию дифференциала торсена. В новой конструкции червячные шестерни переставлены на одну линию с осями, но при этом выполняют то же механическое действие.Каждая червячная передача все еще находится в контакте со своей парой, и только одна сторона оси с промежутками в шестерне удаляет зацепление с другой стороны.}

Постоянное зацепление между двумя сторонами дифференциала имеет дополнительное преимущество, заключающееся в немедленной передаче крутящего момента, что делает его чрезвычайно чувствительным к изменяющимся дорожным и дорожным условиям.

В то время как открытый дифференциал всегда должен распределять крутящий момент 50/50 между каждым колесом, дифференциал Torsen способен направлять больший процент крутящего момента через одно колесо в зависимости от передаточных чисел шестерен.Это устраняет ограничение мощности, которое страдают открытые дифференциалы, потому что величина доступного крутящего момента не ограничивается величиной тяги в любом колесе.

Кроме того, зубчатая передача также может быть обработана таким образом, чтобы придавать другое соотношение сопротивления при ускорении и замедлении, как это делает полутораходовой дифференциал повышенного трения.

Все это достигается механически без использования электроники или каких-либо скоропортящихся деталей, приносимых в жертву трению, и в целом дифференциал Torsen является превосходной механической системой, которая сочетает в себе основные преимущества всех перечисленных ранее типов дифференциалов.

Прочтите наш блог о трансмиссиях с двойным сцеплением и принципах их работы

Активный дифференциал:

Очень похоже на дифференциал повышенного трения, в активном дифференциале по-прежнему используются механизмы, обеспечивающие сопротивление, необходимое для передачи крутящего момента с одной стороны на другую, но вместо того, чтобы полагаться на чисто механическую силу, эти муфты могут активироваться электронным способом.

Активный дифференциал может использовать электронику для искусственного изменения механических сил, которые система испытывает при изменении условий движения.Это делает их управляемыми и, следовательно, программируемыми, а с помощью ряда датчиков на транспортном средстве компьютер может автоматически определять, на какие ведущие колеса и когда направить мощность.

Это значительно улучшает характеристики, особенно на несовершенном дорожном покрытии, и особенно нравится водителям ралли, чьи автомобили выдерживают быстро меняющиеся условия вождения и нуждаются в системе, которая может не отставать от их непрерывных настроек транспортного средства.

Дифференциал с вектором крутящего момента:

TVD продвигает эту усовершенствованную с помощью электроники систему еще дальше, используя ее для управления углом или вектором транспортного средства в поворотах и ​​выходе из них, побуждая определенные колеса получать больший крутящий момент в ключевые моменты, что улучшает характеристики прохождения поворотов.

Активируя сцепление, противоположное тому, что обычно включает LSD с чисто механическим приводом, вы можете использовать этот эффект для помощи в рулевом управлении, одновременно снижая мощность, преодолевая недостатки системы LSD.

При входе в поворот, многоходовой LSD оказывает сопротивление обоим колесам, чтобы хотя бы частично заблокировать ось и стабилизировать ее при торможении, которое затем высвобождается, когда скорость колеса падает и автомобиль поворачивает, позволяя колесам вращаться. на разных скоростях.

Однако, вместо того, чтобы ослабить сопротивление на обоих колесах, TVD продолжает активировать сцепление только на внешнем колесе, увеличивая сопротивление, испытываемое этим колесом, и заставляя систему передавать через него больший крутящий момент. Этот дисбаланс внешней силы способствует резкому повороту автомобиля в повороте и снижению недостаточной поворачиваемости.

Продолжая прикладывать это сопротивление через поворот, когда транспортное средство проходит вершину и начинает ускоряться, оно будет продолжать игнорировать нормальный многосторонний LSD, который снова будет интерпретировать более быстрое движение внешнего колеса как пробуксовку и отвлекать крутящий момент во время ускорения до внутреннее колесо, которое воспринимается как лучшее сцепление.

Когда TVD оказывает большее сопротивление сцеплению внешних колес, он обманом заставляет систему отводить через него больший крутящий момент - увеличивая мощность, которая может быть применена, и уменьшая недостаточную поворачиваемость, возникающую при ускорении на выходе из поворота.

_{Желтая стрелка указывает на передачу крутящего момента, происходящую через угол, создаваемую искусственным сопротивлением, оказываемым TVD на внешнее колесо. Это позволяет добиться большего ускорения на выходе из поворота, в то же время повышая поворачиваемость автомобиля.}

Дифференциал с вектором крутящего момента способен передавать 100% доступного крутящего момента через одно колесо, когда это необходимо в самых экстремальных обстоятельствах.

Обратной стороной этой системы является то, что она очень сложна и очень дорога, и обычно используется только для гонок / треков из-за ее потенциала для прохождения поворотов на высокой скорости.

У каждой системы есть свои преимущества и недостатки, и хотя более сложные системы, как правило, лучше, их стоимость намного превышает стоимость более простых систем.

Как и в случае с любыми другими автомобильными технологиями, польза от каждой системы зависит от того, что именно вы будете делать со своим автомобилем и на что должен быть способен ваш дифференциал. У вас не будет особой нужды в дифференциале векторизации крутящего момента при посещении местного супермаркета, если только вы не воображаете себя в следующем WRC и не можете позволить себе штраф - но вам может понадобиться дифференциал блокировки, если вы живете в сельской местности. лучше доступен для внедорожника.

Щелкните здесь для визуального просмотра различных типов дифференциала.

MAT FOUNDRY GROUP ЯВЛЯЕТСЯ ВЕДУЩИМ ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ СЕРЫХ И ЧУГУННЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ. ЧТОБЫ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ О НАС ПРОСМОТРЕТЬ НАШИ ПРОДУКТЫ ИЛИ СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ СЕГОДНЯ

Дифференциальная передача | Britannica

Дифференциальная передача, в автомобильной механике, зубчатая передача, которая позволяет передавать мощность от двигателя на пару ведущих колес, распределяя усилие поровну между ними, но позволяя им следовать по траекториям разной длины, например, при повороте или повороте. переход по неровной дороге.На прямой дороге колеса вращаются с одинаковой скоростью; при повороте внешнее колесо должно двигаться дальше и будет вращаться быстрее, чем внутреннее колесо, если его не удерживать.

Обычный автомобильный дифференциал был изобретен в 1827 году французом Онезифором Пекером. Впервые он использовался на паровых транспортных средствах и был хорошо известен, когда в конце 19 века появились двигатели внутреннего сгорания.

Элементы дифференциала Пекера показаны на рисунке.Мощность от трансмиссии передается на коническую коронную шестерню шестерней ведущего вала, обе из которых удерживаются в подшипниках (не показаны) в картере заднего моста. Корпус представляет собой открытую коробчатую конструкцию, которая прикреплена болтами к коронной шестерне и содержит подшипники для поддержки одной или двух пар диаметрально противоположных конических шестерен дифференциала. Ось каждого колеса прикреплена к боковой шестерне дифференциала, которая входит в зацепление с шестернями дифференциала. На прямой дороге колеса и боковые шестерни вращаются с одинаковой скоростью, между боковыми шестернями дифференциала и шестернями нет относительного движения, и все они вращаются как единое целое с корпусом и коронной шестерней.Если автомобиль поворачивает влево, правое колесо будет вынуждено вращаться быстрее, чем левое колесо, а боковые шестерни и шестерни будут вращаться относительно друг друга. Зубчатый венец вращается со скоростью, равной средней скорости левого и правого колес. Если колеса поддомкрачены, когда коробка передач находится в нейтральном положении, и одно из колес повернуто, противоположное колесо повернется в противоположном направлении с той же скоростью.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Крутящий момент (крутящий момент), передаваемый на два колеса с помощью дифференциала Pecqueur, одинаков.Следовательно, если одно колесо проскальзывает, как по льду или грязи, крутящий момент, передаваемый на другое колесо, уменьшается. Этот недостаток можно отчасти преодолеть за счет использования дифференциала повышенного трения. В одном варианте муфта соединяет одну из осей и коронную шестерню. Когда одно колесо сталкивается с низким сцеплением, его тенденция к пробуксовке сдерживается муфтой, обеспечивая тем самым больший крутящий момент для другого колеса.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Расширенные измерения для моделирования дифференциальных устройств

Страна или регион * --Выберите - United StatesUnited KingdomCanadaIndiaNetherlandsAustraliaSouth AfricaFranceGermanySingaporeSwedenBrazilAfghanistanÅland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrit / Индийский океан Terr.Бруней-ДаруссаламБолгарияБуркина-ФасоБурундиКамбоджаКамерунКанарские островаКапо-ВердеКаймановы островаЦентральноафриканская РеспубликаЧадЧилиКитайОстров РождестваКокос (Килинг) островаКолумбияКоморские островаКонгоКонго, The Dem. Республика OfCook IslandsCosta RicaCôte d'IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный Terr.GabonGambiaGeorgiaGhanaGibraltarGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard / McDonald ISL,.HondurasHong Kong, ChinaHungaryIcelandIndonesiaIranIraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakhstanKenyaKiribatiKorea (Северная) Корея (Южная) KuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarN. Марьяна Isls.NamibiaNauruNepalNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorwayOmanPakistanPalauPalestinian край, OccupiedPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint Киттс и NevisSaint LuciaSamoaSan MarinoSao Фолиант / PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbia и MontenegroSerbiaMontenegroSeychellesSierra LeoneSlovak RepublicSloveniaSolomon IslandsSomaliaSpainSri LankaSt.Елена Пьер и Микелон Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard / Ян Майен Isls.SwazilandSwitzerlandSyriaTaiwan, ChinaTajikistanTanzaniaThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks / Кайкос Isls.TuvaluUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUS Экваторияльная Is.UruguayUzbekistanVanuatuVatican CityVenezuelaViet NamVirgin острова (Британские) Виргинские острова поле (США) Уоллис / Футуна Isls.Western SaharaYemenZambiaZimbabweRequired

предварительных уведомлений для автоматических дифференциальных счетчиков клеток для незрелых или аномальных клеток крови - окончательный руководящий документ по специальному контролю класса II для промышленности и FDA

Документ выдан: 4 декабря 2001 г.

Этот документ заменяет Руководство по предварительным уведомлениям для автоматических дифференциальных счетчиков клеток
для незрелых или аномальных клеток крови;
Окончательное руководство для промышленности и FDA, 1 ноября 2000 г.

U.S. Департамент здравоохранения и социальных служб
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов
Центр устройств и радиологического здоровья

Отделение гематологических и цитологических приборов
Отдел клинических лабораторных приборов
Отдел оценки приборов

---

Предисловие

Общественный комментарий

Комментарии и предложения могут быть представлены в любое время для рассмотрения Агентством в Отдел управления регистрационными данными, Отдел систем и политики управления, Управление людских ресурсов и управленческих услуг, Управление по контролю за продуктами и лекарствами, 5630 Fishers Lane, Room 1061, (HFA-305) , Роквилл, Мэриленд, 20852.При отправке комментариев обращайтесь к точному названию этого руководящего документа. Агентство не может предпринимать никаких действий по комментариям до тех пор, пока документ не будет в следующий раз пересмотрен или обновлен.

По вопросам использования или интерпретации этого руководства обращайтесь к Пауле Стюарт по телефону 301-796-6185 или по электронной почте [email protected]

Дополнительные копии

Дополнительные копии доступны в Интернете. Вы также можете отправить запрос по электронной почте на адрес [email protected], чтобы получить копию руководства.Используйте номер документа (1184), чтобы определить запрашиваемое вами руководство.

Содержание

1. Справочная информация

2. Наименее обременительный подход

3. Сфера действия

4. Риски для здоровья

5. Органы управления

6. Сокращенное 510 (k) Содержание

7. Деятельность по валидации программного обеспечения

8. Точность

9. Точность

10. Производительность

11. Линейность

12.Переход

13. Образцы

14. Справочные значения

15. Маркировка

---

Руководящий документ по специальным мерам контроля класса II: Предварительные уведомления для автоматических дифференциальных счетчиков клеток для незрелых или аномальных клеток крови; Окончательное руководство для промышленности и FDA

1. Фон

   Этот руководящий документ был разработан как специальное руководство по управлению для поддержки реклассификации устройства автоматического дифференциального счетчика ячеек (ADCC) в класс II.Классифицированное устройство предназначено для идентификации одного или нескольких форменных элементов крови. Эти устройства также могут иметь возможность отмечать, подсчитывать или классифицировать незрелые или аномальные кроветворные клетки крови, костного мозга или других жидкостей организма. Устройство может использовать комбинацию метода электронного подсчета частиц, оптического метода или метода проточной цитометрии с использованием маркеров обозначения моноклональных кластеров (CD). Устройство включает в себя дополнительные маркеры для компакт-дисков. Это руководство будет выпущено вместе с уведомлением Федерального реестра о реклассификации этого типа устройства.

   Как указано на обложке, это руководство заменяет Руководство по предварительным уведомлениям для автоматических дифференциальных счетчиков клеток для незрелых или аномальных клеток крови; Заключительное руководство для промышленности и FDA, выпущенное 1 ноября 2000 г. Мы переименовали и обновили руководство от 1 ноября 2000 г., чтобы более четко отразить, что это Руководство по специальному контролю класса II. Мы не пересматривали какие-либо рекомендации в документе относительно рабочих характеристик или маркировки устройства ADCC.

   FDA считает, что специальных средств контроля в сочетании с общими средствами контроля будет достаточно для обеспечения разумной уверенности в безопасности и эффективности устройства ADCC. Таким образом, производитель, который намеревается продавать устройство этого универсального типа, должен (1) соблюдать общие меры контроля Федерального закона о пищевых продуктах, лекарствах и косметических средствах (Закон), включая требования 510 (k), описанные в 21 CFR 807 Subpart. E, (2) обращаются к конкретным рискам для здоровья, связанным с устройством ADCC, и, если не освобождены от требований Закона о предварительном уведомлении, (3) получить заключение о существенной эквивалентности от FDA до продажи устройства.

   В этом специальном руководящем документе указывается классификация, код продукта и идентификация классификации для устройства ADCC. Кроме того, в нем перечислены риски для здоровья, определенные FDA, и он служит специальным средством контроля, которое при соблюдении и в сочетании с общими средствами контроля, как правило, устраняет риски, связанные с этим универсальным типом устройства, и приводит к своевременной проверке 510 (k) и оформление. Чтобы узнать о конкретных требованиях к содержанию подачи 510 (k), вам следует обратиться к 21 CFR 807.87 и другие документы агентства по этой теме, такие как Premarket Notification 510 (k).

   Производители устройств могут представить сокращенный 510 (k), если: (1) существует руководящий документ, (2) установлен специальный контроль или (3) FDA признало соответствующий консенсусный стандарт. FDA считает, что сокращенный 510 (k) является наименее обременительным средством демонстрации существенной эквивалентности после того, как был выпущен руководящий документ по специальному контролю класса II. См. Также «Новая парадигма 510 (k) - Альтернативные подходы к демонстрации существенной эквивалентности в премаркетинговых уведомлениях»; Окончательное руководство.

   Сокращенная заявка 510 (k) должна включать необходимые элементы, указанные в 21 CFR 807.87, включая описание устройства, предполагаемое использование устройства и предлагаемую маркировку устройства. Сокращенный 510 (k) должен также включать сводный отчет. В аббревиатуре 510 (k) FDA может рассматривать содержание сводного отчета как соответствующие подтверждающие данные в соответствии с 21 CFR 807.87 (f) или (g).

   Сводный отчет должен кратко описывать использованные методы или тесты и критерии приемлемости, применяемые для устранения рисков, указанных в данном руководстве, а также любых дополнительных рисков, специфичных для вашего устройства.Если следовать предлагаемому методу испытаний, простая ссылка на метод будет приемлемым описанием. Если есть какие-либо отклонения от предложенного метода испытаний, вы должны предоставить более подробную информацию в сводном отчете, чтобы охарактеризовать конкретное отклонение. Сводный отчет также должен либо (1) кратко представлять данные, полученные в результате каждого испытания, в виде таблицы, либо (2) описывать критерии приемлемости, которые должны применяться к результатам испытаний. (См. Также 21 CFR 820.30 Subpart C Design Controls for the Quality System Regulation.) (См. Также 21 CFR 820.30, подраздел C «Контроль проектирования» для Регламента системы качества.)

2. Наименее обременительный подход

   Проблемы, указанные в этом руководстве, представляют собой те проблемы, которые, по нашему мнению, необходимо решить, прежде чем ваше устройство может быть продано. При разработке руководства мы внимательно рассмотрели соответствующие установленные законом критерии для принятия решений Агентством. Мы также учли бремя, которое может возникнуть в результате вашей попытки выполнить рекомендации и решить выявленные нами проблемы.Мы считаем, что рассмотрели наименее обременительный подход к решению вопросов, представленных в руководящем документе. Однако, если вы считаете, что существует менее обременительный способ решения проблем, вам следует следовать процедурам, изложенным в документе «Предлагаемый подход к решению наименее обременительных проблем».

3. Область применения

   Область применения этого документа ограничена следующими устройствами:

   Код товара: GKZ

   Классификация: Второй сорт

   Панель: Панель приборов для гематологии и патологии (81)

   Требуется проверка: предварительное уведомление, представление 510 (k)

   Регламент: 21 CFR 864.5220 Автоматический дифференциальный счетчик клеток

   Приведенная ниже классификационная идентификация идентифицирует устройство в том виде, в котором оно существовало на момент реклассификации.

   § 864.5220 Автоматический дифференциальный счетчик ячеек.

   1. Идентификация. Автоматический дифференциальный счетчик клеток - это устройство, используемое для идентификации одного или нескольких форменных элементов крови. Устройство также может иметь возможность отмечать, подсчитывать или классифицировать незрелые или аномальные кроветворные клетки крови, костного мозга или других жидкостей организма.Эти устройства могут сочетать в себе метод электронного подсчета частиц, оптический метод или метод проточной цитометрии с использованием моноклональных маркеров CD (обозначение кластера). Устройство включает в себя дополнительные маркеры для компакт-дисков.
   2. Классификация. Класс II (специальные контроли). Специальным контролем для этого устройства является документ FDA «Руководящий документ по специальным средствам контроля класса II: предварительные уведомления для автоматических дифференциальных счетчиков клеток для незрелых или аномальных клеток крови; окончательные рекомендации для промышленности и FDA».

4. Риски для здоровья

   FDA определило следующие риски для здоровья, обычно связанные с использованием устройства ADCC, в таблице ниже. Перед отправкой 510 (k) вам также следует провести анализ рисков, чтобы определить любые другие риски, характерные для вашего устройства. В предмаркетном уведомлении должен быть описан метод анализа рисков. Меры, рекомендуемые для снижения выявленных рисков, приведены в этом руководящем документе, как показано в таблице ниже.(Если вы решите использовать альтернативный подход для устранения определенного риска или определили риски в дополнение к указанным в руководстве, вы должны предоставить достаточно подробностей, чтобы поддержать альтернативный подход.)

   Идентифицированный риск	Рекомендуемые смягчающие меры
   Ошибка в диагностике нарушения кровяных телец	Разделы 7-15

5. Органы управления

   FDA полагает, что средства контроля, указанные в следующих разделах настоящего руководства, в сочетании с общими средствами контроля устранят выявленные риски для здоровья, обычно связанные с использованием устройства ADCC.Фирма должна показать, что ее устройство решает проблемы безопасности и эффективности, указанные в этом руководстве, либо путем выполнения рекомендаций этого руководства, либо с помощью других средств, обеспечивающих эквивалентные гарантии безопасности и эффективности. Если вы определили какие-либо дополнительные риски, характерные для вашего устройства, ваш 510 (k) должен идентифицировать эти риски, а также используемые методы или тесты и критерии приемлемости, применяемые для их устранения.

6. Сокращенное 510 (k) Содержание

   Сокращенный 510 (k), который основан на Руководящем документе по специальному контролю класса II, должен содержать следующее.

   Обложка

   На титульном листе должно быть четко указано, что поданная заявка имеет сокращенный вид 510 (k), и должно быть указано название конкретного Руководящего документа по особым мерам контроля класса II.

   Пункты, требуемые согласно 21 CFR 807.87

   В соответствии с 21 CFR 807.87 требуются следующие позиции:

   • Описание устройства. Вы должны описать метод или технику и предоставить фотографии, рисунки и / или схемы, достаточные для обзора технологии.В качестве примеров технология устройства может включать, но не ограничивается следующими автоматизированными методологиями: распознавание образов, оптика, флуоресценция, технология потока, импеданс, кластерный анализ и цитохимия. Вы также должны включить ограничения метода, связанные с технологией.
   • Использование устройства по назначению. Вы также должны предоставить приложение «Показания к применению». Рекомендуемый формат см. В форме «Показания к использованию» (размер файла PDF: 1,03 МБ).
   • Предлагаемая маркировка устройства.
   • Сводный отчет. Сводный отчет должен описывать, как Руководящий документ по особым мерам контроля класса II использовался для устранения рисков, связанных с конкретным типом устройства. В аббревиатуре 510 (k) FDA может рассматривать содержание сводного отчета как соответствующие подтверждающие данные в соответствии с 21 CFR 807.87 (f) или (g). Сводный отчет должен содержать:
     • Анализ рисков.
     • Описание требований к производительности устройства.
     • Обсуждение характеристик и функций, предоставляемых для устранения рисков, указанных в данном Руководящем документе по особым мерам контроля класса II, а также любых дополнительных рисков, выявленных в вашем анализе рисков.
     • Для каждого аспекта производительности, указанного в разделах 7-15 настоящего Руководства по специальным средствам контроля класса II, вам следует кратко обсудить каждый метод испытаний и определить критерии приемлемости. Если следовать предлагаемому методу испытаний, простая ссылка на метод будет приемлемым описанием. Если есть какие-либо отклонения от предложенного метода испытаний, вы должны предоставить более подробную информацию в сводном отчете, чтобы охарактеризовать конкретное отклонение. Сводный отчет также должен либо (1) кратко представлять данные, полученные в результате каждого испытания, в виде таблицы, либо (2) описывать критерии приемлемости, которые должны применяться к результатам испытаний.Если какой-либо тестовый образец не соответствует установленным критериям приемлемости, вы не можете продавать свое устройство. Вместо этого вы должны представить новый 510 (k) с пересмотренными критериями приемки. Новый 510 (k) должен быть одобрен FDA, прежде чем продавать свое устройство.
     • Если какая-либо часть конструкции или тестирования устройства основана на признанном стандарте, итоговый отчет должен включать: (1) заявление о том, что испытания будут проведены и соответствовать установленным критериям приемки до того, как продукт будет выведен на рынок, или (2) декларацию соответствия. к стандарту.Тестирование должно быть завершено до подачи декларации о соответствии признанному стандарту. (21 USC 514 (c) (2) (B)). Для получения дополнительной информации см. Руководство FDA, Использование стандартов при определении существенной эквивалентности; Окончательное руководство для промышленности и FDA.

   Если неясно, как вы устранили риски, выявленные FDA, или в результате анализа рисков, мы можем запросить дополнительную информацию об аспектах рабочих характеристик устройства.

   В качестве альтернативы отправке сокращенного 510 (k) вы можете отправить традиционный 510 (k), который предоставляет всю информацию и данные, описанные в этом руководстве.Традиционный 510 (k) должен включать все ваши протоколы, данные, критерии приемки, анализ данных и выводы.

7. Действия по проверке программного обеспечения

Пожалуйста, обратитесь к Руководству по содержанию предпродажных заявок на программное обеспечение, содержащееся в медицинских устройствах (далее «Руководство по программному обеспечению»), где обсуждается документация по программному обеспечению, которую вы должны предоставить. FDA обычно рассматривает устройства ADCC как «умеренный» уровень беспокойства для целей проверки программного обеспечения.Мы рекомендуем вам воспользоваться всеми признанными стандартами программного обеспечения и предоставить заявления или декларации о соответствии, как описано в уже цитированном руководстве FDA «Использование стандартов при определении существенной эквивалентности». Посетите следующий веб-сайт, чтобы найти стандарты, признанные для медицинских устройств, содержащих программное обеспечение, http://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfStandards/search.cfm. Мы создали дополнительную таблицу данных для каждого стандарта программного обеспечения, который мы признали.Дополнительный технический паспорт включает в себя таблицу, в которой указана документация, которую вы должны включить в заявку при подаче декларации о соответствии. Если устройство включает стандартное программное обеспечение, вы должны предоставить дополнительную информацию, как рекомендовано в Руководстве для промышленности. , Рецензенты FDA и соответствие требованиям по использованию готового программного обеспечения в медицинских устройствах.

8. Точность

   Чтобы охарактеризовать точность вашего устройства ADCC, мы предлагаем сравнить каждый параметр теста с эталонным методом, если он доступен.Вы должны следовать документам Национального комитета по клиническим лабораторным стандартам (NCCLS):

   Справочная лейкоцитарная дифференциация (пропорциональная) и оценка инструментальных методов, утвержденный стандарт, документ NCCLS h30-A (ISBN 1-56238-131-8), NCCLS, 940 West Valley Road, Suite 1400, Wayne, PA 19087-1898, 1992

   Сравнение методов и оценка смещения с использованием образцов пациентов; Утвержденное руководство, документ NCCLS EP9-A (ISBN 1-56238-283-7), NCCLS, 940 West Valley Road, Suite 1400, Wayne, PA 19087-1898, 1995.

9. точность

   Чтобы установить точность вашего устройства, вы должны следовать документу NCCLS:

   Оценка точности работы приборов для клинической химии; Утвержденное руководство, документ NCCLS EP5-A (ISBN 1-56238-145-8) NCCLS, 940 West Valley Road, Suite 1400, Wayne, PA 19087-1898, 1999.

10. Производительность

    Для получения общих указаний о том, как определить характеристики вашего устройства, вам следует следовать документу Международного совета по стандартизации в гематологии (ICSH), цитируемому ниже.

    Руководство по оценке анализаторов клеток крови, включая те, которые используются для дифференциального подсчета лейкоцитов и ретикулоцитов, а также приложений для маркеров клеток. Международный совет по стандартизации в гематологии: подготовлено группой экспертов ICSH по цитометрии. Clin Lab Haematol, 16 (2): 157-174, 1994.

    Вы должны установить рабочие характеристики вашего устройства, включая клиническую чувствительность и специфичность, для нормальных и патологических образцов. Вы должны следовать этим документам NCCLS при получении этих данных:

    Справочная лейкоцитарная дифференциация (пропорциональная) и оценка инструментальных методов, утвержденный стандарт, документ NCCLS h30-A, (ISBN 1-56238-131-8), NCCLS, 940 West Valley Road, Suite 1400, Wayne, PA 19087-1898, 1992 г.

    Предварительная оценка количественных клинических лабораторных методов, Утвержденное руководство, документ NCCLS EP 10-A, (ISBN 1-56238-348-5), NCCLS, 940 West Valley Road, Suite 1400, Wayne, PA 19087-1898, 1998.

    Оценка клинической точности лабораторных испытаний с использованием графиков рабочих характеристик приемника (ROC), Утвержденное руководство, документ NCCLS GPIO-A, (ISBN 1-56238-285-3), NCCLS, 940 West Valley Road, Suite 1400, Wayne, PA 19087-1898, 1995.

    Если возможно, вы должны указать метод, использованный для проведения испытания, и полученные характеристики испытания.Вы также должны указать исходный результат для используемого метода / технологии.

11. Линейность

    Следует проверить линейный диапазон каждого измеренного параметра испытания на нормальных и аномальных образцах. Мы предлагаем использовать следующие критерии для тестирования производительности линейности:

    • Данные должны соответствовать линии регрессии линейности.
    • Коэффициент детерминации (r ² ) должен быть> 0,95.
    • Вы должны использовать как минимум пять разведений, распределенных в пределах линейного диапазона.
    • Разбавление должно охватывать регистрируемый диапазон для параметра испытания.
    • Каждый результат разведения должен быть средним значением повторных измерений в одном и том же диапазоне.

12. Переход

    Если возможно, вы должны оценить переход от высокого к низкому образцу. Вы должны проанализировать образец с высоким содержанием три раза подряд, а затем образец с низким уровнем три раза подряд, следуя протоколу, описанному в документе ICSH, цитируемом ниже.

    Руководство по оценке анализаторов клеток крови, включая те, которые используются для дифференциального подсчета лейкоцитов и ретикулоцитов, а также приложений для маркеров клеток. Международный совет по стандартизации в гематологии: подготовлено группой экспертов ICSH по цитометрии. Clin Lab Haematol, 16 (2): 157-174, 1994.

13. Образцы

    Если возможно, вы должны указать тип (ы) антикоагулянтов, возраст образца, условия хранения и т. Д., Которые подходят для использования с вашим устройством.Вы должны следовать документу NCCLS:

    «Процедуры взятия диагностических образцов крови путем пункции кожи»; Утвержденный стандарт - четвертое издание, документ NCCLS h5-A4, (ISBN 1-56238-111-9), NCCLS, 940 West Valley Road, Suite 1400, Wayne, PA 19087-1898, 1999.

    Вы также должны следовать приведенному ниже документу ICSH, если это применимо.

    Рекомендации Международного совета по стандартизации в гематологии по антикоагуляции этилендиаминтетрауксусной кислоты в крови для подсчета и определения размеров клеток крови.Am J Clin Path, 100 (4) 371-372, 1993.

    .

14. Справочные значения

Вы должны описать подход, используемый для интерпретации наблюдаемых значений. При необходимости следует различать клиническую и статистическую значимость. Вы должны следовать документам ICSH / Международной федерации клинической химии (IFCC):

IFCC и ICSH: Утвержденная рекомендация (1986) по теории справочных значений. Часть 1. Понятие референтных значений.J Clin Chem Clin Biochem, 25: 337-342, 1987.

IFCC и ICSH: Утвержденная рекомендация (1987) по теории справочных значений. Часть 5. Статистическая обработка собранных справочных значений. Определение контрольных пределов. J Clin Chem Clin Biochem, 25: 645-656, 1987.

IFCC и ICSH: Утвержденная рекомендация (1987) по теории справочных значений. Часть 6. Представление наблюдаемых значений относительно справочных значений. J Clin Chem Clin Biochem, 25: 657-662, 1987.

Вы также должны следовать документу NCCLS:

Как определять и определять контрольные интервалы в клинической лаборатории; Утвержденное руководство - второе издание, документ NCCLS C28-A2, (ISBN P56238-269-I), NCCLS, 940 West Valley Road, Suite 1400, Wayne, PA 19087-1898, 2000.

15. Маркировка

    Предварительное уведомление должно включать достаточно подробную маркировку, чтобы удовлетворить требованиям 21 CFR 807.87 (e). Окончательная маркировка для диагностического устройства in vitro должна соответствовать требованиям 21 CFR 809.10 до того, как оно будет введено в торговлю между штатами, однако окончательная маркировка не требуется для разрешения 510 (k). Маркировка должна включать конкретные аспекты работы ADCC, как описано в этом специальном руководстве по контролю.Это включает точность, прецизионность, специфичность и чувствительность, а также любые ограничения ADCC. Чтобы соответствовать требованиям 21 CFR 809.10 (b) (12), вы также должны обобщить методы тестирования, использованные для получения всех данных о производительности, появляющихся в окончательной маркировке, а также описать статистические методы, используемые в анализе. Кроме того, должны быть предоставлены полные инструкции по применению, включая клинические показания к применению и их значение, обсуждение любых внешних факторов или мешающих веществ, которые влияют на результаты, а также обстоятельства, при которых следует проводить более чувствительные или дополнительные испытания.

Высокоскоростные интерфейсы дифференциального ввода / вывода и DPA в устройствах Arria II

% PDF-1.3 % 1 0 obj > эндобдж 2 0 obj >>> эндобдж 3 0 obj > транслировать TrueAcrobat Distiller 10.1.3 (Windows) LVDS, Dynamic Phase Aligner, Arria II GX, Arria II GZ, синхронный дифференциальный источник, SGMII, SFI, SPI, XSBI, Rapid I / O, Utopia, Mini LVDS, RSDS, уменьшенная дифференциальная сигнализация поворота 2012. Корпорация Альтера. Все права защищены. 2010-10-06T17: 55: 32Z2012-07-20T17: 35: 09 + 08: 00FrameMaker 10.0.12012-07-20T17: 35: 09 + 08: 00application / pdf

В этой главе описываются функции и ресурсы высокоскоростного дифференциального ввода-вывода, функции сериализатора / десериализатора (SERDES) и динамического фазового выравнивания (DPA). схемотехника в устройствах Arria II

Высокоскоростные дифференциальные интерфейсы ввода / вывода и DPA в устройствах Arria II - Справочник по устройствам Arria II, том 1, глава 8

Корпорация Альтера

Авторское право 2012. Корпорация Altera. Все права защищены.Trueuuid: 4324c574-d8db-4351-86e7-d45a06fd1674uuid: 6ea3029f-132e-4f1d-9d31-381a240f79c0 конечный поток эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект [9 0 R] эндобдж 9 0 объект

Машинное обучение с дифференциальной конфиденциальностью в TensorFlow

от Николаса Пейперно

Дифференциальная конфиденциальность - это основа для измерения гарантий конфиденциальности. обеспечивается алгоритмом.Через призму дифференциальной конфиденциальности мы можем разрабатывать алгоритмы машинного обучения, которые ответственно обучают модели на частных данные. Обучение с дифференцированной конфиденциальностью обеспечивает доказуемые гарантии конфиденциальность, снижая риск раскрытия конфиденциальных данных обучения в машине учусь. Интуитивно понятно, что модель, обученная с дифференциальной конфиденциальностью, не должна быть зависит от любого отдельного обучающего примера или небольшого набора обучающих примеров в его наборе данных.

Вы можете вспомнить нашу предыдущую запись в блоге на PATE, подход, который обеспечивает частное обучение путем тщательного координация деятельности нескольких разных ML модели [Papernot et al.]. В этом посте вы узнаете, как обучить дифференциально приватную модель с помощью другой подход, основанный на дифференциально Частный стохастический градиентный спуск (DP-SGD) [Abadi et al.]. DP-SGD и PATE - это два разных способа достижения одной и той же цели сохранения конфиденциальности. машинное обучение. DP-SGD делает меньше предположений о задаче машинного обучения, чем PATE, но это происходит за счет внесения изменений в алгоритм обучения.

Действительно, DP-SGD - это модификация алгоритма стохастического градиентного спуска, который является основой многих оптимизаторов, популярных в машинном обучении.Модели, обученные с DP-SGD, имеют подтвержденные гарантии конфиденциальности, выраженные в терминах: дифференциальной конфиденциальности (мы объясним, что это означает в конце этого Почта). Мы будем использовать библиотеку конфиденциальности TensorFlow, который обеспечивает реализацию DP-SGD, чтобы проиллюстрировать нашу презентацию DP-SGD и предоставить практическое руководство.

Единственное предварительное условие для следования этому руководству - уметь обучать простая нейронная сеть с TensorFlow. Если вы не знакомы с сверточные нейронные сети или как их обучать, рекомендуем прочитать сначала этот учебник чтобы начать работу с TensorFlow и машинным обучением.

По завершении учебного курса, представленного в этом сообщении, вы сможете обернуть существующие оптимизаторы (например, SGD, Adam,…) на их дифференциально-частных коллег, используя TensorFlow (TF) Конфиденциальность. Вы также узнаете, как настроить параметры введено дифференциально частной оптимизацией. Наконец, мы узнаем, как измерять гарантии конфиденциальности, предоставляемые с помощью инструментов анализа, включенных в TF Конфиденциальность.

Начало работы

Прежде чем мы начнем с DP-SGD и TF Privacy, нам нужно составить скрипт, обучающий простую нейронную сеть с помощью TensorFlow.

В интересах сохранения внимания данного руководства к аспектам конфиденциальности обучение, мы включили такой сценарий, как сопутствующий код для этого сообщения в блоге, в подкаталоге пошагового руководства каталога руководств найдены в репозитории TensorFlow Privacy. Код найден в файле mnist_scratch.py ​​ тренирует небольшой сверточная нейронная сеть на наборе данных MNIST для распознавания рукописного ввода. Этот сценарий будет использован в качестве основы для нашего упражнения ниже.

Далее мы выделяем некоторые важные фрагменты кода из mnist_scratch.py ​​ сценарий.

Первый фрагмент включает определение сверточной нейронной сети. используя tf.keras.layers . Модель содержит два сверточных слоя, связанных с максимальным количеством слоев объединения, полностью подключенным слоем и softmax. Модель output - это вектор, где каждый компонент указывает, насколько вероятно, что ввод будет в одном из 10 рассмотренных нами классов задачи распознавания почерка.Если что-то из этого кажется вам незнакомым, рекомендуем прочитать сначала этот учебник чтобы начать работу с TensorFlow и машинным обучением.

  input_layer = tf.reshape (features ['x'], [-1, 28, 28, 1])
y = tf.keras.layers.Conv2D (16, 8,
                           шаги = 2,
                           padding = 'такой же',
                           активация = 'relu'). применить (input_layer)
y = tf.keras.layers.MaxPool2D (2, 1) .apply (y)
y = tf.keras.layers.Conv2D (32, 4,
                           шаги = 2,
                           padding = 'действительный',
                           активация = 'relu').применить (у)
y = tf.keras.layers.MaxPool2D (2, 1) .apply (y)
y = tf.keras.layers.Flatten (). apply (y)
y = tf.keras.layers.Dense (32, активация = 'relu'). apply (y)
logits = tf.keras.layers.Dense (10) .apply (y)
predicted_labels = tf.argmax (ввод = логиты, ось = 1)
  

Второй фрагмент показывает, как модель обучается с использованием API tf.Estimator , который заботится обо всем стандартном коде, необходимом для формирования используемых мини-пакетов обучить и оценить модель. Чтобы подготовиться к изменениям, мы будет делать, чтобы обеспечить дифференциальную конфиденциальность, мы по-прежнему раскрываем петлю разные эпохи обучения: эпоха определяется как один проход через все тренировочные точки включены в тренировочный набор.

  steps_per_epoch = 60000 // FLAGS.batch_size
для эпохи в диапазоне (1, FLAGS.epochs + 1):
  # Обучить модель на одну эпоху.
  mnist_classifier.train (input_fn = train_input_fn, steps = steps_per_epoch)

  # Оценить модель и распечатать результаты
  eval_results = mnist_classifier.evaluate (input_fn = eval_input_fn)
  test_accuracy = eval_results ['точность']
  print ('Точность теста после% d эпох составляет:% .3f'% (эпоха, test_accuracy))
  

Теперь мы готовы обучать нашу модель MNIST без конфиденциальности.Модель должна достичь точности теста выше 99% после 15 эпох при скорости обучения 0,15 на мини-батчи 256 тренировочных точек.

Стохастический градиентный спуск

Прежде чем мы углубимся в то, как DP-SGD и TF Privacy могут использоваться для обеспечения дифференциальной конфиденциальности во время машинного обучения мы сначала даем краткий обзор стохастического алгоритм градиентного спуска, который является одним из самых популярных оптимизаторов для нейронные сети.

Стохастический градиентный спуск - это итерационная процедура.На каждой итерации пакет данных случайным образом выбирается из обучающего набора (здесь стохастичность происходит от). Ошибка между предсказанием модели и Затем вычисляются обучающие метки. Эта ошибка, также называемая потерей, затем дифференцированный по параметрам модели. Эти производные (или градиенты) говорят нам, как мы должны обновлять каждый параметр, чтобы модель ближе к предсказанию правильной метки. Итеративно пересчитывающие градиенты и их применение для обновления параметров модели - это то, что называется спуск.Подводя итог, следующие шаги повторяются до тех пор, пока модель не станет производительность удовлетворительная:

1. Пример мини-пакета тренировочных точек (x, y) , где x - входные данные, а y метка.

2. Потеря вычислений (т. Е. Ошибка) L (тета, x, y) между предсказаниями модели f_theta (x) и метка y , где theta представляет параметры модели.

3. Вычислить градиент потери L (theta, x, y) относительно модели параметры тета .

4. Умножьте эти градиенты на скорость обучения и примените произведение к обновить параметры модели theta .

Изменения, необходимые для превращения стохастического градиентного спуска в дифференциально частный алгоритм

Две модификации необходимы, чтобы гарантировать, что стохастический градиентный спуск является дифференциально частный алгоритм.

Во-первых, необходимо ограничить чувствительность каждого градиента. Другими словами, мы необходимо ограничить, сколько может каждая отдельная тренировочная точка, отобранная в мини-партии, влиять на вычисление результирующего градиента.Это можно сделать, обрезав каждый градиент, вычисленный для каждой тренировочной точки между шагами 3 и 4 выше. Интуитивно это позволяет нам определить, сколько может каждая тренировочная точка параметры ударной модели.

Во-вторых, нам нужно рандомизировать поведение алгоритма, чтобы статистически невозможно узнать, был ли конкретный пункт включен в обучающий набор путем сравнения обновлений применяется стохастический градиентный спуск, когда он работает с этой конкретной точкой в ​​обучающей выборке или без нее.Это достигается путем выборки случайного шума и добавления его к обрезанным градиентам.

Таким образом, вот алгоритм стохастического градиентного спуска, адаптированный сверху для дифференциально частный:

1. Пример мини-пакета тренировочных точек (x, y) , где x - входные данные, а y метка.

2. Потеря вычислений (т. Е. Ошибка) L (тета, x, y) между предсказаниями модели f_theta (x) и метка y , где theta представляет параметры модели.

3. Вычислить градиент потери L (theta, x, y) относительно модели параметры тета .

4. Клип-градиентов для каждого обучающего примера, включенного в мини-пакет, чтобы гарантировать каждый градиент имеет известную максимальную евклидову норму.

5. Добавьте случайный шум к обрезанным градиентам.

6. Умножьте эти обрезанные и зашумленные градиенты на скорость обучения и примените продукт для обновления параметров модели theta .

Реализация DP-SGD с конфиденциальностью TF

Пришло время внести изменения в код, с которого мы начали, чтобы учесть две модификации, описанные в предыдущем абзаце: отсечение градиента и шум. Именно здесь вступает в действие TF Privacy: он предоставляет код, который обертывает существующий оптимизатор TF для создания варианта, который выполняет оба эти шага необходимо для получения дифференциальной конфиденциальности.

Как упоминалось выше, шаг 1 алгоритма, то есть формирование мини-пакетов данные обучения и метки, реализованы в tf.Оценщик API в нашем руководство. Таким образом, мы можем сразу перейти к шагу 2 описанного выше алгоритма и вычислить потерю (то есть ошибку модели) между прогнозами модели и метками.

  vector_loss = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits (
    метки = метки, логиты = логиты)
  

TensorFlow предоставляет реализации общих потерь, здесь мы используем кросс-энтропия, которая хорошо подходит для нашей задачи классификации. Обратите внимание, как мы вычислил потерю как вектор, где каждый компонент вектора соответствует индивидуальная тренировочная точка и этикетка.Это необходимо для поддержки на примере манипуляция градиентом позже на шаге 4.

Теперь мы готовы создать оптимизатор. В TensorFlow объект оптимизатора может можно создать, передав ему значение скорости обучения, которое используется на шаге 6. изложено выше. Вот как выглядел бы код без дифференциальной конфиденциальности:

  optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer (FLAGS.learning_rate)
train_op = optimizer.minimize (потеря = scalar_loss)
  

Обратите внимание, что наш фрагмент кода предполагает, что флаг TensorFlow был определяется для значения скорости обучения.

Теперь мы используем модуль optimizers.dp_optimizer TF Privacy для реализации оптимизатор с дифференциальной конфиденциальностью. Под капотом этот код реализует шаги 3-6 алгоритма выше:

  optimizer = optimizers.dp_optimizer.DPGradientDescentGaussianOptimizer (
    l2_norm_clip = FLAGS.l2_norm_clip,
    noise_multiplier = FLAGS.noise_multiplier,
    num_microbatches = FLAGS.microbatches,
    learning_rate = FLAGS.learning_rate,
    Population_size = 60000)
train_op = оптимизатор.минимизировать (потеря = vector_loss)
  

В этих двух фрагментах кода мы использовали стохастический градиентный спуск. оптимизатор, но его можно заменить другим оптимизатором, реализованным в TensorFlow. Например, AdamOptimizer можно заменить на DPAdamGaussianOptimizer . Помимо стандартных оптимизаторов уже включены в TF Privacy, большинство оптимизаторов являются объектами дочернего класса тс.поезд.Оптимизатор можно сделать дифференциально закрытым, позвонив оптимизаторам .Дегустационный период () .

Как видите, нужно изменить только одну строку, но есть несколько вещей, которые на нем лучше всего развернуть, прежде чем мы продолжим. Помимо скорости обучения, мы передал размер обучающего набора как параметр Population_size . Это используется для измерения степени достигнутой конфиденциальности; мы вернемся к этому бухгалтерский аспект позже.

Что еще более важно, TF Privacy представляет три новых гиперпараметра для объект оптимизатора: l2_norm_clip , noise_multiplier и num_microbatches .Вы могли догадаться, что такое l2_norm_clip и noise_multiplier из двух изменения, описанные выше.

Параметр l2_norm_clip - максимальная евклидова норма каждого человека. градиент, который вычисляется на индивидуальном примере обучения из мини-партии. Этот параметр используется для ограничения чувствительности оптимизатора к индивидуальному обучению точки. Обратите внимание на то, как оптимизатор может вычислить их для каждого пример градиентов, мы должны передать ему потерю вектора, как определено ранее, а не чем потери, усредненные по всей мини-партии.

Затем параметр noise_multiplier используется для управления количеством шума. отбираются и добавляются к градиентам перед их применением оптимизатором. Как правило, чем больше шума, тем лучше конфиденциальность (часто, но не обязательно, в за счет более низкой полезности).

Третий параметр относится к аспекту DP-SGD, который не обсуждался. ранее. На практике градиенты отсечения на индивидуальной основе могут быть пагубно сказывается на производительности нашего подхода, потому что вычисления не могут более длительное время пакетирования и распараллеливания на уровне детализации мини-пакетов.Следовательно, мы ввести новую степень детализации, разделив каждую мини-серию на несколько микропакеты [McMahan et al.]. Скорее, чем отсекая градиенты на индивидуальной основе, мы отсекаем их на микропакетной основе. Например, если у нас есть мини-партия из 256 обучающих примеров, а не отсекая каждый из 256 градиентов по отдельности, мы отсекаем 32 градиента усреднено по микропакетам из 8 обучающих примеров, когда num_microbatches = 32 . Это допускает некоторую степень параллелизма. Следовательно, можно думать о num_microbatches в качестве параметра, позволяющего снизить производительность (когда параметр устанавливается на маленькое значение) с помощью утилиты (когда параметр установлен до значения, близкого к размеру мини-партии).

После того, как вы внесете все эти изменения, попробуйте еще раз обучить свою модель с помощью дифференциально частный оптимизатор стохастического градиента. Вы можете использовать следующие значения гиперпараметров для получения разумной модели (95% тест точность):

  скорость обучения = 0,25
noise_multiplier = 1,3
l2_norm_clip = 1.5
batch_size = 256
эпох = 15
num_microbatches = 256
  

Измерение достигнутой гарантии конфиденциальности

На этом этапе мы внесли все изменения, необходимые для обучения нашей модели с дифференциальная конфиденциальность.Поздравляю! Тем не менее, нам все еще не хватает одного важного часть головоломки: мы не подсчитали достигнутую гарантию конфиденциальности. Отзывать две модификации, которые мы внесли в исходный стохастический градиентный спуск алгоритм: обрезать и рандомизировать градиенты.

Практикам машинного обучения интуитивно понятно, как ограничивают градиенты. способность модели адаптироваться к любой из точек обучения. Фактически, градиентное отсечение обычно используется в машинном обучении, даже если конфиденциальность не беспокойство.Интуиция по введению случайности в алгоритм обучения который уже рандомизирован, немного более тонкий, но этот дополнительный рандомизация необходима, чтобы затруднить определение поведенческих аспектов модель, определяемая изученными параметрами, пришла из случайности и пришла из данных обучения. Без случайности мы могли бы задавать вопросы например: «Какие параметры выбирает алгоритм обучения, когда мы обучаем его на этот конкретный набор данных? " Используя случайность в алгоритме обучения, мы вместо этого задавайте такие вопросы, как: «Какова вероятность того, что алгоритм обучения выберите параметры в этом наборе возможных параметров, когда мы обучаем его на этом конкретный набор данных? "

Мы используем версию дифференциальной конфиденциальности, которая требует, чтобы вероятность изучение любого конкретного набора параметров останется примерно таким же, если мы изменим единственный обучающий пример в обучающей выборке.Это может означать добавление тренировки пример, удалите пример тренировки или измените значения в пределах одной тренировки пример. Интуиция подсказывает, что если одна тренировочная точка не влияет на результат обучения, информация, содержащаяся в этой тренировочной точке, не может быть запомнены, и конфиденциальность человека, предоставившего эти данные, указывает на то, что набор данных соблюдается. Мы часто называем эту вероятность бюджетом конфиденциальности: меньшие бюджеты конфиденциальности соответствуют более строгим гарантиям конфиденциальности.

Бухгалтерский учет, необходимый для расчета бюджета конфиденциальности, потраченного на обучение нашей машины модель обучения - еще одна функция, предоставляемая TF Privacy.Зная, какой уровень Достигнутая дифференцированная конфиденциальность позволяет нам увидеть падение утилита, которая часто наблюдается при переходе на дифференциально частный оптимизация. Это также позволяет нам объективно сравнить две модели, чтобы определить какой из двух более защищает конфиденциальность, чем другой.

Прежде чем мы ограничим гарантию конфиденциальности, предоставляемую нашим оптимизатором, мы сначала необходимо определить все параметры, которые имеют отношение к измерению потенциальная потеря конфиденциальности, вызванная обучением.Это noise_multiplier , коэффициент выборки q (вероятность того, что отдельная тренировочная точка будет включены в мини-пакет), а из шагов оптимизатор берет на себя данные обучения. Мы просто сообщаем значение noise_multiplier , предоставленное в оптимизатор и вычислите коэффициент дискретизации и количество шагов следующим образом:

  noise_multiplier = FLAGS.noise_multiplier
sampling_probability = FLAGS.batch_size / 60000
шаги = ФЛАГИ.эпох * 60000 // FLAGS.batch_size
  

На высоком уровне анализ конфиденциальности измеряет, как включение или исключение любых конкретный момент в обучающих данных может изменить вероятность того, что узнаем какой-то конкретный набор параметров. Другими словами, анализ измеряет разница между распределениями параметров модели на соседнем обучении наборы (пары любых обучающих наборов с расстоянием Хэмминга, равным 1). В конфиденциальности TF, мы используем дивергенцию Реньи, чтобы измерить это расстояние между распределениями.Действительно, наш анализ выполняется в рамках Rényi Differential Privacy. (RDP), который является обобщением чистой дифференциальной конфиденциальности [Миронов]. RDP - полезный инструмент, потому что он особенно хорошо подходит для анализа дифференциальных гарантий конфиденциальности обеспечивается дискретизацией с последующим добавлением гауссовского шума, что позволяет градиентам рандомизируются в реализации TF Privacy оптимизатора DP-SGD.

Мы выражаем нашу дифференциальную гарантию конфиденциальности, используя два параметра: эпсилон и дельта .-5 , потому что MNIST имеет 60000 очков обучения.

Epsilon измеряет силу нашей гарантии конфиденциальности. На случай, если дифференциально частное машинное обучение, оно дает оценку того, насколько вероятность выхода конкретной модели может варьироваться путем включения (или удаления) единственный обучающий пример. Обычно мы хотим, чтобы это была небольшая константа. Однако это только верхняя граница, и большое значение эпсилона может по-прежнему означает хорошую практическую конфиденциальность

Библиотека конфиденциальности TF предоставляет два метода, относящихся к обеспечению конфиденциальности. Гарантии достигаются за счет трех параметров, указанных в последнем фрагменте кода: compute_rdp и get_privacy_spent .Эти методы можно найти в его модуле analysis.rdp_accountant . Вот как ими пользоваться.

Во-первых, нам нужно определить список ордеров, при которых расхождение Реньи будет вычислено. Первый метод compute_rdp возвращает дифференциальную конфиденциальность Реньи. достигается с помощью механизма Гаусса, применяемого к градиентам в DP-SGD, для каждого из эти приказы.

  заказов = [1 + x / 10. для x в диапазоне (1, 100)] + список (диапазон (12, 64))
rdp = compute_rdp (q = вероятность_выборки,
                  noise_multiplier = ФЛАГИ.noise_multiplier,
                  шаги = шаги,
                  заказы = заказы)
  

Затем метод get_privacy_spent вычисляет лучший эпсилон для заданного target_delta значение дельты, взяв минимум по всем ордерам.

  epsilon = get_privacy_spent (orders, rdp, target_delta = 1e-5) [0]
  

Выполнение приведенных выше фрагментов кода со значениями гиперпараметров, используемыми во время обучение оценит значение эпсилон , которое было достигнуто дифференциально частный оптимизатор, и, следовательно, сила гарантии конфиденциальности который поставляется с моделью, которую мы обучили.